Automatización para la mejora de la combustión en calderas

La industria de la combustión ha buscado una solución efectiva para aumentar el ciclo de vida de sus equipos y mejorar la eficiencia de la combustión sin dejar de lado la seguridad ni los ahorros.

Óscar Torres.

En los últimos años, debido a los cambios climáticos y la escasez cada vez mayor de recursos naturales energéticos, se han creado programas de sustentabilidad del medioambiente que obligan a buscar alternativas para disminuir las emisiones a la atmósfera y reducir el consumo de combustibles. En México se tienen diversos procesos que involucran calderas, incineradores y hornos, todos ellos con algo en común: un quemador.

G1 Circulo de la combustionGráfica 1. Círculo de la combustión

La combustión Los quemadores requieren de tres elementos para encender: combustible, aire y una fuente de ignición (en la gráfica 1 se puede observar el círculo de la combustión). Los combustibles pueden presentarse en los tres estados de la materia: sólidos (carbón, madera), líquidos (combustóleo, diesel) y gaseosos (gas natural, gas LP). El quemador puede proporcionar el aire para que se mezcle con el combustible antes de entrar a la cámara de combustión (aire primario) o puede mezclarse después de que se introduce a la cámara (aire secundario). La ignición significa agregar calor para que el combustible arda o reaccione con el oxígeno y encienda la flama. Existen diferentes formas de ignición, como el arco eléctrico o la piezoeléctrica.

Tabla 1. Relación aire-gas natural
Caso Aire (FT^3) Gas natural (FT^3) Resultado
Relación ideal 10 1 Mayor aprovechamiento de combustible, bajas emisiones, mejor transferencia de energía
Exceso de aire 11 1 CO2, baja eficiencia de combustión
Exceso de combustible 9 1 CO2, hollín, desperdicio de combustible

La relación que debe existir entre el aire y el combustible varía en función del combustible utilizado. Por ejemplo, para quemar 1 pie cúbico de gas natural, en una buena proporción, se requieren 10 pies cúbicos de aire; sin embargo, si el combustible utilizado es gas LP, la proporción varía a 1 pie cúbico de gas LP por 25 pies cúbicos de aire, así que el quemador debe tener la capacidad de realizar estas mezclas y hacer una combustión adecuada. En la tabla 1 se pueden observar tres casos sobre la relación aire-combustible. En el primer caso hay una relación ideal: 10 pies cúbicos de aire por un 1 pie cúbico de gas. En esta relación se tiene el mayor aprovechamiento del combustible, lo que genera una menor cantidad de emisiones contaminantes a la atmósfera y lleva a una mayor transferencia de energía. Para el segundo caso, cuando se tiene una mayor cantidad de aire que la ideal, se produce una mayor cantidad de monóxido de carbono y una baja eficiencia, pues la rápida quema del combustible hace que la mayor parte del calor se escape por la chimenea. Por último, en  el tercer caso, donde hay un exceso de combustible, éste no se quema por completo, lo que origina su desperdicio, es decir, una mayor cantidad de monóxido de carbono y hollín. Sistema de lazo cerrado Como se puede observar, los casos de exceso de aire y exceso de combustible son la principal causa por la cual se han desarrollado sistemas de combustión con mayor tecnología y con resultados que permiten a las empresas estar seguras de que sus sistemas de combustión cumplen con los más altos estándares de calidad ambiental.

E1 Objetivos del sistemaEsquema 1. Objetivos del sistema

El panel de eficiencia de combustión Delphi, de Honeywell, es la solución más completa y segura para aplicaciones en calderas del ramo industrial y comercial; es recomendable para la industria farmacéutica, generación de energía, pulpa y papel, la industria química, hoteles, hospitales, entre otros. Como se puede observar en el esquema 1, este sistema permite disminuir costos de combustible, energía eléctrica y la reducción de emisiones contaminantes a la atmósfera, todo esto sin dejar de lado la seguridad en la operación de la caldera.

F1 Panel Delphi

El panel de la figura 1 integra un control de falla de flama, control de relación aire-combustible, lazo cerrado de combustión a través de celda de O2, control de velocidad del motor del quemador (VFD) y control PID (proporcional-integral-derivativo) en un solo panel precableado listo para instalar y configurar sin necesidad de una PC externa.

F2 Facil accesoFigura 2. Fácil acceso a los controles de la caldera, monitoreo de variables y curvas de valores de periféricos

Este panel de eficiencia es un sistema completo con todos los programas instalados. La pantalla táctil reduce el tiempo de configuración, ya que opera con pantallas intuitivas para hacer del manejo del quemador una tarea fácil. Existe una gran flexibilidad para el acceso y realizar cualquier tipo de ajuste, generación de informes y reinicio de las funciones. En la figura 2 se puede observar un ejemplo. Adicional a esto, el panel de eficiencia de combustión tiene tres niveles de protección por contraseña: instalador, manager y usuario, con los que se incrementa el nivel de seguridad del sistema. La información diagnosticada a la que se tiene acceso es el historial de fallas, indicación en tiempo real de las variables del quemador, estado de los controles periféricos, entre otros. Componentes El sistema Delphi permite el uso de controles de falla de flama, los cuales brindan seguridad durante la secuencia de encendido y realizan la supervisión de la flama. También ofrece el uso de un sensor de oxígeno en la chimenea, lo que da como resultado un equipo de lazo cerrado con capacidad de realizar las correcciones necesarias para las desviaciones que puedan existir en las emisiones de gases resultantes de la combustión. Los actuadores para el control de suministros de combustible y aire son equipos de alta precisión, ya que permiten realizar hasta 950 movimientos, desde el cero hasta el ciento por ciento; esto lleva a tener movimientos desde 0.1 grados. El sistema Delphi tiene cuatro canales de salida para actuadores, y la flexibilidad para su uso es una gran ventaja, pues se pueden utilizar de la manera más conveniente aire, combustible 1, combustible 2, recirculación de gases de combustión, aire secundario, etcétera.

G2 Consumo de energia utilizando

El variador de frecuencia es controlado a través de comunicación Modbus, lo que resulta en una gran precisión para el manejo del ventilador del aire. Los variadores de frecuencia han tenido un auge importante en los últimos años, ya que ofrecen una gran capacidad de ahorro de energía eléctrica. En la gráfica 2 se puede observar cómo un motor que trabaja al 100 de sus RPM gasta el ciento por ciento de la energía eléctrica; pero cuando se reduce la velocidad en un 25 por ciento, se tienen ahorros de energía eléctrica de un 58 por ciento. Por si esto fuera poco, cuando se reduce la velocidad del motor en un 50 por ciento, disminuye el consumo de energía eléctrica hasta en un 87 por ciento. Beneficios

  • Reducción de las emisiones contaminantes a la atmósfera
  • Aumento en la eficiencia del quemador
  • Mayor transferencia de energía
  • Ahorros mayores al 3 por ciento en consumo de combustible y entre 30 y 60 por ciento de energía eléctrica
  • En capacidades mayores a 500CC, retornos de inversión menores a     un año

El panel de eficiencia  de combustión Delphi se encuentra ya instalado en calderas de empresas con los más altos estándares de exigencia en tecnología de punta, calidad y resultados, como Laboratorios Eli Lilly, Nestlé, Procter&Gamble, Cigatam, Mexichem y Quimikao, entre otros. —————————————————————————————————————————————————– Óscar Torres Egresado de la carrera de Ingeniería en Control y Automatización por la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica del Instituto Politécnico Nacional y de la Maestría en Ciencias de la Administración por la Escuela Superior de Comercio y Administración del mismo instituto. Especialista en automatización de sistemas de combustión. Actualmente se desempeña como ingeniero de ventas en la compañía Honeywell International, división Controles de combustión y ambiente.

Comentarios

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4 comentarios

  1. solo quiero saber en que rango de precios etan actualmente los sensores de oxigeno

  2. hola buenos días quisiera saber cual es el costo para implementar este sistema Delphi, me gustaría saber también cual es el kid completo.

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