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Evaluamos el exceso de aire
El exceso de aire es un mal necesario en los sistemas de combustión de todas las calderas. A lo largo del artículo entenderemos el porqué de ello, así como los efectos del exceso en demasía. Lo que indefectiblemente se traduce en pérdida de eficiencia y, dicho de otra forma: pérdida de dinero
1. El oxígeno y el aire de combustión
Tal como sabemos, las calderas tradicionales precisan aporte de calor. Esto normalmente se efectúa con la liberación del calor latente de los combustibles, a través de la combustión. Y para tener combustión imprescindiblemente necesitamos el aporte de un valioso elemento: Oxígeno (O2). Dicho componente en la mayoría de las instalaciones lo aporta el aire ambiente. El cual es succionado por el ventilador e insuflado a través de la caja de aire del quemador o los quemadores, según sea el caso.
Dependiendo del tipo de combustible, por cada unidad del mismo, necesitaremos una determinada cantidad de aire que aporte el contenido de O2 necesario para la combustión. Así, por ejemplo, para quemar completamente 1 Nm3 (normal metro cúbico) de gas natural se requiere 9.5 Nm3 de aire o para quemar 1 kg de fuel oil pesado, se necesitan 10.7 Nm3 de aire. Complementando la información, si cada Nm3 de aire contiene 20.9 % de oxígeno, entonces necesitamos en realidad 1.99 Nm3 y 2.2 Nm3 de oxígeno por cada unidad de gas natural o fuel oil pesado, respectivamente.
2. El exceso de aire de combustión
¿Pero, es suficiente que creemos las proporciones citadas y listo? A decir verdad, no. Eso es teoría y en la vida real no se consigue.
Sucede que los combustibles están compuestos por distintos elementos. Como ser el carbono, el hidrógeno y en algunos casos algunas trazas de azufre. Hilando fino vemos que en una unidad (kg o Nm3) de combustible hay muchas partículas pequeñas (átomos) de carbono, hidrógeno y azufre. Y cada uno de esos átomos deben encontrase con la cantidad exacta de átomos de oxígeno que requiere cada uno para la combustión. calderas logremos que todos los átomos de combustible tengan su pareja de oxígeno, si tan solo aportamos la cantidad exacta de átomos de oxígeno.
Entonces, para tener certeza de que cada átomo de combustible va a conseguir su pareja de oxígeno en la medida que ingresan a la zona de llama, es que se “agrega un poco más de oxígeno” (aire en realidad). Prefiriendo de esta forma que, para conseguir la combustión completa, nos sobren algunos átomos de oxígeno. Pero definitivamente debemos priorizar que no sobre ninguna partícula de combustible sin utilizar (quemar). Pues si no quemamos totalmente el combustible, estamos quemando el dinero que costo comprarlo, y además estamos intoxicando el medio ambiente. Por ejemplo, tener en cuenta que cada molécula de CH4 (metano) que emitamos al ambiente, contamina 16 veces más que si emitiésemos el resultado de la combustión completa de la misma.
Efecto producido por el exceso de aire λ en la combustión y en la emisión de los contaminantes.
El grafico de arriba muestra cómo se comporta la combustión en función del exceso de aire. Siendo λ (lambda) el coeficiente de exceso de aire y λ=1 la condición ideal (estequiométrica). Por lo tanto, desde λ=1 hacia la izquierda se observa el comportamiento con defecto de aire y hacia la derecha, con exceso. Quedando en evidencia en la zona rayada del gráfico, en donde debería trabajar la combustión. Siendo ideal lo más a la izquierda posible dentro de esa zona.
Hasta aquí nos queda claro que la combustión necesita aire (oxígeno en realidad), en una determinada proporción respecto al combustible y con un determinado exceso, para asegurarnos la combustión completa.
¿Pero cuanto exceso de aire requerimos? ¿Y qué pasa si se nos va la mano con el exceso de aire?
El exceso de aire dependerá de lo difícil que sea lograr el “emparejamiento” de cada átomo de combustible con sus correspondientes partes de oxígeno. De esta forma podemos intuir que la tarea es más simple con combustibles gaseosos, un poco más difícil con combustibles líquidos y más complejo aún en el caso de los combustibles sólidos. Por lo que normalmente los excesos de aire requeridos según el tipo de combustible, para una combustión completa, son:
Combustibles gaseosos, entre 5 y 10 % de exceso de aire
Combustibles líquidos, entre 10 y 20 % de exceso de aire
Combustibles sólidos entre 20 y 50 % de exceso de aire
¿Pero todas las calderas pueden conseguir estos valores?
Claro que no. En primer lugar, nos referimos a combustibles tradicionales y estandarizados. Como ser gas natural, fuel oil y carbón. Para elementos especiales y/o subproductos de proceso que se quieran aprovechar como combustible en la caldera, habrá que analizar caso por caso.
En segundo lugar, lograr la correcta mezcla del combustible y el oxígeno es una de las principales funciones del sistema de combustión. Es decir, dependiendo del tipo de tecnología que tengamos aplicada, la mezcla será más o menos eficiente. Y, por lo tanto, para lograr la combustión completa, en algún caso será necesario usar más exceso de aire que en otros.
Es importante comprender, entonces, que cada combustible requiere condiciones particulares en la dinámica de la mezcla con el comburente, así como en la cantidad requerida de este último. Por lo que no siempre un mismo sistema de combustión es apto para ser utilizado con otro combustible. Por más que nos parezca que las diferencia entre el combustible anterior y el nuevo son mínimas, merece la evaluación de un especialista antes de proceder con el cambio. Y aun así, en cao que sea viable, siempre será necesario el nuevo ajuste de la combustión.
3. ¿Exceso de aire de combustión en demasía?
Respondiendo ahora a las implicancias de un mayor exceso de aire, ese aire de más absorberá calor (energía) se irá por la chimenea con valiosa energía desaprovechada.
Consecuentemente estaremos quemando más combustible que el que debiéramos, así como, generando un mayor flujo de emisiones indeseadas. Por lo tanto, este es otro buen argumento para evitar el exceso de aire indebido durante la combustión.
También si hiláramos fino, mayor exceso de aire significa mayor humedad ingresando con el aire. Pues el aire ambiente suele contener humedad (agua), que también absorbe calor y se termina yendo irremediablemente por la chimenea. Por lo que cuanto mayor exceso de aire, mayor cantidad de agua ingresando en forma de humedad con el aire ambiente y, por lo tanto, mayor pérdida de dinero.
4. ¿Cómo se comporta la caldera con exceso de aire indiscriminado?
Hasta aquí, una descripción conceptual de los efectos negativos que produce un exceso de aire excesivo, más allá del mínimo exceso de aire requerido para la combustión. Veamos ahora que el exceso de aire, además, altera el comportamiento de la caldera en su totalidad. Para ello, hemos efectuado los cálculos termodinámicos del comportamiento de una caldera humotubular (pirotubular en varios países) de tres pasos de gases (horno + dos pasajes a través de haces convectivos). Dichos cálculos se efectuaron para una caldera de 10 toneladas/hora de diseño, que opera una presión de 10 kg/cm2 de presión de vapor.
En la simulación se ha mantenido constante el máximo consumo de combustible y variado el exceso de aire. A continuación, los resultados, expresados en gráficos:
En el estudio se observa claramente que, al incrementarse el exceso de aire, el caudal de gases de combustión se incrementa, Con ello, las velocidades de circulación de los gases dentro de la caldera. A su vez cuanto mayor exceso menor es la temperatura de la llama, que, conjugado con las mayores velocidades, consecuentemente alteran los coeficientes de transferencia térmica.
El primer síntoma es un incremento inmediato en la temperatura al final del horno (cámara a de reversión trasera de gases). Esto es así hasta el 25% de exceso de aire. A partir de allí la temperatura de gases en esa zona de la caldera comienza a disminuir.
En cuanto al segundo paso de gases la temperatura de gases aumenta significativamente, ya que el coeficiente de transferencia térmica por convección se ve impactado con los valores de exceso de aire. De esta forma, al haber menos entrega de calor en el segundo pasaje de gases, la temperatura de éstos aumenta.
Volviendo a tener los valores de temperatura en el mismo orden que cuando trabajaba con bajo exceso de aire, recién cuando el exceso de aire alcanza el180%.
Por un efecto similar al producido en el segundo pasaje de gases, la temperatura de salida de gases de la cadera aumenta significativamente hasta alcanzado un exceso de aire de alrededor de 150 %. A partir de donde empieza a disminuir lentamente, por efecto de la gran dilución que se produce con semejante flujo de aire de más.
Completando el análisis, se observa la curva de los valores de oxígeno remanente medidos en los gases de combustión.
El siguiente esquema muestra la información relevante de la caldera del estudio:
5. ¿Cuáles son los factores que producen exceso de aire de combustión?
5. ¿Cuáles son los factores que producen exceso de aire de combustión?
Diversos factores son los posibles causantes del exceso de aire indebido. Entre los principales, podemos enunciar:
6. Conclusiones y sugerencias
El exceso de aire de combustión en demasía atenta directamente contra la eficiencia de la caldera.
El exceso de aire se debe a distintos factores. Algunos de ellos se deben al tipo de tecnología utilizada como sistema de combustión, así como en su mantenimiento, y otras a variaciones en el combustible y en las condiciones atmosféricas. Por lo que es importante estar atento para corregir las desviaciones, cada vez que éstas se produzcan.
Técnicamente existen sistemas de control que miden en línea los gases de combustión a través de la instalación de instrumentos fijos en la chimenea de la caldera y de esa forma corrigen automáticamente las desviaciones. Este tipo de lazos de control tienen costos que podrían ser inviables en pequeñas instalaciones, pero altamente convenientes para implementarlos en medianas y pequeñas calderas.
Independientemente de que se tengan implementados estos lazos de control, es necesario verificar periódicamente su correcto funcionamiento, la sintonía del mismo y contrastar las mediciones a través del uso de analizadores de gases de combustión portátiles.
En calderas que no tienen este tipo de sistemas de corrección automática de la combustión, es aún más necesario el uso de analizadores de gases de combustión portátiles, para verificar periódicamente el estado de la combustión. Dando participación al especialista (Matriculado en Combustión), para que efectúe las correcciones necesarias.
En cualquier caso, es necesario estar atento. Y tal cual se ha mostrado en el presente artículo, el exceso de aire también puede percibirse por los cambios de temperatura en los gases de la chimenea. Por lo que una simple inversión, colocando un termómetro en el flujo de gases de combustión, permitirá a los usuarios observar que algo ha cambiado en la caldera. Sirviendo como elemento de alerta, para saber que es necesario llamar al especialista en combustión. Pues el aumento de temperatura en los gases nos estará avisando que algo anormal está pasando en la caldera. Lo cual no solo podría deberse al exceso de aire indiscriminado, sino a otros problemas, que también el experto se encargará de dilucidar y resolver.
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