Hornos y combustion

Saludos, en la publicación de esta semana podrán encontrar los conceptos relacionados con los hornos industriales que son utilizados en la industria petrolera.

manejaremos los conceptos de Tiro (draft), describiremos las secciones de convección y radiación así como describiremos las partes de los hornos que funcionan con gas, en algunas refinerías de vieja data todavía podremos conseguir quemadores que funcionan con combustible liquido.(Diesesl o gasóleos livianos) pero ya tiende a ser una practica en desuso en los nuevos diseños.

En un proximo post estare dedicandolo en detalle a la parte de combustion asi como por separado también estare publicando en otro diferente lo relacionado con calderas industriales ya que la generación de vapor desde mi punto de vista es una parte importante dentro de la industria que realmente merece tener su post por separado.

Espero que esta recopilacion sea de su interés y ayuda en sus conocimientos generales de los equipos dentro de la industria petrolera.

Hornos

Un horno de proceso es un equipo constituido por un cerramiento metálico revestido interiormente por una pared refractaria aislante, dentro del cual se dispone de un serpentín tubular por el que circula un producto que se desea calentar y/o evaporar a través del calor liberado por un combustible sólido, líquido o gaseoso que reacciona en el quemador liberando gases de combustión calientes que entregan calor por radiación al serpentín.

Un mazo tubular ubicado por encima de de la zona radiante, en el camino de salida de los gases a la chimenea, recupera calor de los humos, mediante un mecanismo de convección. Esta sección se denomina zona convectiva.

La utilización de estos equipos puede tener distintos propósitos como precalentamiento de una corriente previo a su fraccionamiento o reacción, evaporar la corriente de fondo de una columna de destilación o disminuir la viscosidad de un fluido para facilitar su manipuleo.

Pueden utilizarse también como reactores, en este caso proveen el calor de reacción. La cantidad de combustible alimentado al horno se regula normalmente en función de la temperatura de salida de la corriente de proceso.

Un CALENTADOR POR COMBUSTION (FIRED HEATER) (en adelante HORNO) es un intercambiador de calor en el que el fluido de proceso fluye dentro de tubos y se calienta por radiación procedente de una llama de combustión y por convección desde los gases calientes de esta.

Normalmente los hornos se dividen en tres partes:

Sección RADIANTE: donde los tubos están en presencia de la llama. En esta parte la transmisión de calor es por radiación en un 80 % aprox y un 20 % por convección de la circulación de gases calientes alrededor de los tubos.

Sección de CONVECCION: Los tubos están fuera del alcance de la llama. Los gases caliente se direccionan a través del paquete de tubos. El calor transmitido es por radiación del CO2 y H2 O en los gases calientes además del calor por convección. Los tubos están equipados con aletas para mejorar las condiciones de transmisión de calor.

Sección de BLINDAJE (SHIELD) Las primeras filas de tubos del área de convección son la zona de CHOQUE (SHOCK) en ella los tubos no tienen aletas, reciben la misma cantidad de calor por ambos mecanismos. Podemos clasificar los hornos en:

TIPO DE CAJA O CABINA (BOX HEATERS)

• Tubos horizontales. Calentamiento simple

• Tubos horizontales. Calentamiento doble

• Tubos Verticales. Calentamiento doble

Tipo de caja o cabina.
 

Consisten en un set de cuatro paredes un suelo y un techo generalmente de acero con aislamiento interior de ladrillos refractarios. La sección de convección se sitúa en la parte superior y seguidamente se monta la chimenea. Los tubos de la sección de radiación se montan a lo largo de las paredes y la llama se genera a través de unos quemadores (burners).

Tubos horizontales. Calentamiento simple

Los tubos están montados horizontalmente en la pared lateral más larga en una capa simple. Se pueden montar varias series de tubos en paralelo en función del caudal. Se colocan a una distancia de la pared de 1,5 veces el diámetro de tubería

La sección de convección se monta directamente sobre la zona de radiación y consiste en un banco de tubos con distribución triangular equilátera y una separación de dos veces el diámetro de tubería.

Los quemadores pueden ser de varios tipos inferiores (botton), laterales (side) y finales (end).

Tubos horizontales. Calentamiento doble

En este caso están los tubos montados en el centro colgados sobre soportes.

Tubos Verticales. Calentamiento doble

Los tubos se colocan verticalmente en el centro del horno. Calentándose lateralmente.

- Tipo cilíndrico vertical.

Consisten en un casco cilíndrico aislado colocado verticalmente con piso aislante y techo generalmente plano. Los quemadores se sitúan en el suelo. Los tubos se sitúan verticalmente con flujo ascendente-descendente.

La sección de convección es similar a la de los de tipo caja o cabina.

Balance de calor.

El calor necesario para un horno es el calor a suministrar al fluido calentado. Los datos suelen ser caudal másico, y condiciones de presión y temperatura de entrada y las condiciones deseadas de presión y temperatura. Además las condiciones físicas (líquido, vapor,...) de fluido pueden cambiar.

Se necesita por tanto para calcularlo los calores sensibles y latentes del fluido, las composiciones, y si se produce reacción química, el calor de reacción.

Eficiencia del horno.

La eficiencia de un horno es el porcentaje del calor liberado en la llama que es absorbido por el fluido calentado.

Los valores van de 70 % al 95 %.

La fuente de la ineficiencia son: Las perdidas de calor en las paredes del horno (un 2 % es valor aceptable en el diseño) y las perdidas en los gases producidos. La temperatura de salida de los gases ha de ser de 50 a 75 oF (25 a 40 oC) superior a la del fluido de entrada.

Como la composición de los gases de combustión no varía mucho se pueden deducir ecuaciones para determinar la temperatura del gas y las perdidas del horno bastante exactas.

Caracteristicas de un Horno de procesos de acuerdo al pedido de un cliente.

Los hornos de procesos son diseñados de acuerdo a unas características que son solicitadas por los ingenieros de diseño cuando están preparando el proyecto de la planta, el mismo tendrá que ver con las características del producto que se va a manejar, condiciones atmosféricas y espacio físico entre otras.

En las siguientes descripciones podrán encontrar parte de esas características que se tomas en cuenta para el diseño de un horno de procesos.

Diseño

El calor en los hornos es intercambiado en dos zonas bien diferenciadas, como es la zona radiante y la convectiva. En la primera el calor es transferido por radiación a los tubos, luego los gases de la combustión son dirigidos hacia la zona de convección pasando previamente por la una zona de protección denominada zona de choque, la cual protege de la radiación del hogar a los tubos de la zona de convección. El mecanismo de intercambio de calor en la zona de convección permite que los tubos posean superficie extendida como lo constituye el agregado de aletas o pernos, que mejoran sensiblemente la transferencia de calor y la eficiencia de los equipos.

Tiraje

De acuerdo al pedido del cliente o exigencias del proceso el tiraje de los hornos puede ser de tipo natural (el aire necesario para la combustión ingresa al horno solo por diferencia de densidad con los gases calientes que se encuentra en el hogar) o forzado (el aire ingresa a los hornos con la ayuda de un ventilador).

Seguridad

La combustión tanto de líquidos como de gases combustibles es controlada por un sistema a pruebas de fallas “failsafe” el cual ante cualquier tipo de falla externa deja todo el sistema de alimentación de combustibles en posición segura, previniendo de esa manera cualquier tipo de accidente. Así mismo los hornos pueden ser equipados con un sistema de control basado en un PLC (además del control de combustión), el cual permite la operación del mismo localmente o de forma remota a través de la comunicación con el DCS de una planta permitiendo la integración de los mismos a cualquier sistema automatizado.

Emisiones

Los hornos vienen equipados con quemadores de proveedores lideres en el mercado. Los mismos pueden estar equipados con quemadores de “Low NOx” y de “Ultra Low NOx” para cumplir con las reglamentaciones vigentes en el lugar de su emplazamiento.

Aumento de la eficiencia

La eficiencia térmica de hornos existentes puede ser aumentada por precalentamiento de los gases de combustión con los gases de escape o por el aprovechamiento de los mismos para generar vapor o calentar otra corriente de procesos.

Un horno industrial o un calentador de fuego directo, es un equipo utilizado para proporcionar calor para un proceso o puede servir como reactor que proporciona calores de reacción. Diseños de hornos varían en cuanto a su función, deber calefacción, tipo de combustible y el método de introducción de aire de combustión. Sin embargo, la mayoría de los hornos de proceso tienen algunas características comunes.
 

El combustible fluye en el quemador y se quema con el aire proporcionado desde un soplador de aire. No puede haber más de un quemador en un horno particular, que puede disponerse en las células que calientan un conjunto particular de tubos. Quemadores también puede ser montado en el piso, en la pared o en el techo montado en función del diseño. Las llamas se calientan los tubos, que a su vez calientan el fluido dentro de la primera parte del horno conocido como la sección radiante o cámara de combustión. En esta cámara donde tiene lugar la combustión, el calor se transmite principalmente por la radiación a los tubos alrededor del fuego en la cámara. El fluido de calentamiento pasa a través de los tubos y por lo tanto calienta a la temperatura deseada. Los gases procedentes de la combustión se conocen como gases de combustión.

Después de que el gas de combustión sale de la cámara de combustión, la mayoría de los diseños de horno incluyen una sección de convección en la que se recupera más calor antes de salir a la atmósfera a través de la pila de gases de combustión. (HTF = fluido de transferencia de calor. Industrias comúnmente usan sus hornos para calentar un fluido secundario con aditivos especiales como antioxidante y la eficiencia de transferencia de calor. Este líquido calentado es entonces circuló alrededor de toda la planta a intercambiadores de calor para ser utilizado allí donde se necesite calor en lugar de calentar directamente la línea de productos que el producto o material puede ser volátil o propenso a agrietarse en la temperatura del horno.)

Seccion Radiante

La sección radiante es donde los tubos reciben casi toda su calor por radiación de la llama. En un horno cilíndrico vertical, los tubos son vertical. Los tubos pueden ser vertical u horizontal, colocado a lo largo de la pared refractaria, en el medio, etc., o dispuestos en las células. Studs se utilizan para mantener el aislamiento entre sí y en la pared del horno. Se colocan alrededor de 1 pie (300 mm) de distancia en esta imagen del interior de un horno. Los tubos, que se muestran a continuación, que son de color marrón rojizo de la corrosión, son tubos de acero al carbono y ejecutar la altura de la sección radiante. Los tubos están a una distancia lejos de la aislamiento de manera radiación puede reflejarse en la parte posterior de los tubos para mantener una temperatura de pared de tubo uniforme. Guías de tubo en la parte superior, media e inferior tienen los tubos en su lugar.

Mitad de seccion Radiante

Seccion de Conveccion

La sección de convección está situada por encima de la sección radiante donde está más fresco para recuperar el calor adicional. La transferencia de calor se realiza por convección aquí, y los tubos tienen aletas para aumentar la transferencia de calor. Las dos primeras filas de tubos en la parte inferior de la sección de convección y en la parte superior de la sección radiante es un área de tubos desnudos (sin aletas) y se conocen como la sección de escudo ("tubos de choque"), llamada así porque son todavía expuestos a un montón de radiación de la cámara de combustión y también actúan para proteger los tubos de sección de convección, que normalmente son de material menos resistente a las altas temperaturas en la cámara de combustión. El área de la sección radiante justo antes de gas de combustión entra en la sección escudo y en la sección de convección llamado el bridgezone. Un cruce es el tubo que conecta la sección de convección salida hasta la entrada sección radiante. La tubería de cruce se encuentra normalmente fuera de modo que la temperatura puede controlarse y la eficiencia de la sección de convección puede ser calculado. La mirilla en la parte superior permite al personal ver la forma de la llama y el patrón de arriba e inspeccione visualmente si existe  incidencia de la llama en los tubos. Incidencia de la llama pasa cuando la llama toca los tubos y provoca pequeñas manchas aisladas de muy alta temperatura.

Seccion de Convection

Haz de tubos radiante (Bobinas)

Esta es una serie de tubos horizontal / vertical de tipo de horquilla conectado en los extremos (con 180 ° de curva) o helicoidales. La bobina radiante absorbe calor por radiación. Pueden ser de una sola pasada o en varias pasadas en función de la caída de presión del lado del proceso permitido. Las bobinas radiantes y curvas están alojados en la caja radiante. Materiales de bobinas radiantes varían de acero al carbono para servicios de baja temperatura a aceros de alta gama de servicios de alta temperatura. Estos son apoyados desde las paredes laterales radiantes o colgando del techo radiante. El material de estos soportes es generalmente de acero de alta aleación. Si bien el diseño de la bobina radiante, es cuidado por lo que se mantiene la provisión para la expansión (en condiciones de calor).

Quemador

Quemador del horno

El quemador, en el horno cilíndrico vertical, como el de la figura anterior, se encuentra en el suelo y la llama va hacia arriba. Algunos hornos tienen quemadores secundarios tales como en las locomotoras de tren. La solera es de alta temperatura resistente y es donde está contenida la llama. Registros de aire situados debajo de el quemador y en la salida del soplador de aire son dispositivos con aletas o paletas que controlan la forma y el patrón de la llama, si se extiende o incluso remolinos alrededor de móviles. Las llamas no deben extenderse demasiado, ya que esto hará incidencia de la llama. Registros de aire pueden clasificarse como primaria, secundaria y en su caso, terciarios, dependiendo de cuando se introduce su aire. El aire primario suministros registro de aire primario, que es el primero en ser introducido en el quemador. El aire secundario se añade para complementar aire primario. Quemadores pueden incluir un pre-mezclador para mezclar el aire y el combustible para una mejor combustión antes de la introducción en el quemador. Algunos quemadores incluso utilizan vapor como premezcla para precalentar el aire y crear una mejor mezcla del combustible y aire caliente. El piso del horno está compuesto principalmente de un material diferente de la de la pared, por lo general dura refractario moldeable para permitir a los técnicos a pie en su planta durante el mantenimiento.
 

Un horno puede ser encendiado por una pequeña llama del piloto o en algunos modelos más antiguos, con la mano. La mayoría de las llamas de los pilotos en la actualidad son encendidas por un transformador de encendido (al igual que las bujías de un coche). La llama del piloto, a su vez enciende la llama principal. La llama piloto utiliza gas natural, mientras que la llama principal puede utilizar tanto el diesel y el gas natural. Cuando se utilizan combustibles líquidos, se utiliza un atomizador, de lo contrario, el combustible líquido se irá simplemente a verter sobre el piso del horno y convertirse en un peligro. El uso de una llama piloto para encender el horno aumenta la seguridad y facilidad en comparación con el uso de un método de encendido manual.

soplador de hollín

Los sopladores de hollín se encuentran en la sección de convección. Cuando esta sección está por encima de la sección radiante y el movimiento del aire es más lento debido a las aletas, hollín tiende a acumularse aquí. El soplado de hollín se hace normalmente cuando se disminuye la eficiencia de la sección de convección. Esto se puede calcular observando el cambio de temperatura de la tubería de cruce y en la salida de la sección de convección.

Los sopladores de hollín que fluye utilizan medios tales como agua, aire o vapor para eliminar los depósitos de los tubos. Esto se hace normalmente durante el mantenimiento con el soplador de aire encendido. Hay varios tipos diferentes de sopladores de hollín utilizados. Sopladores de pared de tipo rotativo se montan en las paredes del horno que sobresalen entre los tubos de convección. Las lanzas están conectados a una fuente de vapor con agujeros perforados en él a intervalos a lo largo de su longitud. Cuando se enciende, gira y sopla el hollín de los tubos y exhalando por la pila.

Chimenea

Stack damper

La chimenea de los gases de combustión es una estructura cilíndrica en la parte superior de todas las cámaras de transferencia de calor. La retranca (Breeching) directamente debajo de él recoge los gases de combustión y la lleva en alto en la atmósfera en la que no pondrá en peligro al personal.

El damper de la chimenea, actua como una válvula de mariposa y regula el tiro (la diferencia de presión entre la entrada de aire y salida de aire en el horno), que es lo que tira el gas de combustión a través de la sección de convección. El damper también regula la pérdida de calor a través de la chimenea. Como se cierra la compuerta, la cantidad de calor que se escapa del horno a través de las disminuciones de la chimenea, pero la presión en el horno aumenta lo cual plantea riesgos a los que trabajan alrededor de ella si hay fugas de aire en el horno, las llamas pueden luego escapar de la caja de fuego o incluso explotar si la presión es demasiado grande.

Aislamiento

El aislamiento es una parte importante del horno, ya que mejora la eficiencia reduciendo al mínimo el calor se escape de la cámara climatizada. Materiales refractarios, tales como ladrillos refractarios, refractarios moldeables y fibra de cerámica, se utilizan para el aislamiento. El piso del horno son normalmente refractarios tipo moldeables mientras que los de las paredes están clavados o pegados en su lugar. La fibra de cerámica se utiliza comúnmente para el techo y la pared del horno y se clasifica por su densidad y luego su calificación máxima temperatura.

Fundaciones

Las Fundaciones son pilares o bases de hormigón sobre la que se monta el calentador. Pueden ser cuatro para calentadores más pequeños y pueden ser de hasta 24 para los calentadores de gran tamaño. Diseño de pilares y toda fundación se realiza en base a la capacidad de carga del suelo y las condiciones sísmicas predominantes en la zona. Los pernos de anclaje son cementados en la fundación después de la instalación del calentador.

Puertas de acceso

El cuerpo del calentador está provisto de puertas de acceso en varios lugares. Las puertas de acceso deben ser utilizados sólo durante paradas completas de las unidades. El tamaño normal de la puerta de acceso es 600x400 mm, que es suficiente para el movimiento de los hombres / material dentro o fuera del calentador. Durante el funcionamiento de las puertas de acceso están atornillados correctamente utilizando herméticos juntas de alta temperatura.

Referencias:

Fotografias: Wikipedia

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Eficiencia para Hornos

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