Re estudio Circuito Combustión Caldera Biomasa

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Dentro de las necesidades de la industria
papelera, la producción de vapor es uno de los
factores importantes para el secado del papel, este vapor
puede ser producido por diferentes tipos de calderas,
alimentadas por combustible ya sea derivados del
petróleo, carbón o madera.
Una producción de bajo costo es
esencial, a través de las distintas formas de alimentación a
las calderas, en el caso de los combustibles de madera la
humedad es un factor importante para la generación de
vapor constante y el aumento del rendimiento de
caldera.
Por lo anterior expuesto, el combustible debe poseer
valores
bajo de humedad y ser aprovechado al máximo su
poder
calorífico de la mezcla, entre los
residuos generados por la industria papelera mas virutas
secas y el aserrín, que se utiliza en alimentar como
combustible a calderas.
En el presente reestudio del circuito de
combustión se establecerán los
valores máximos de humedad, optimizar, recopilar
antecedente de calidad,
cantidad y caracterizar el combustible y la
eliminación de la viruta seca de la mezcla. Y con la
consiguiente selección de pre-secadores del
combustible.
No obstante para implementar un sistema de
presecado nos encontramos con una inversión, que con un análisis económico de rentabilidad y recuperación de la
inversión. Para la toma de
decisiones ante dicha inversión.
INTRODUCCION
OBJETIVOS

Optimizar la utilización del combustible
empleado actualmente en la caldera biomasa.
Recopilar antecedentes acerca de cantidad y calidad
del combustible.
Caracterizar los desechos sólidos (poder
calorífico, humedad, densidad,
granulometría).
Selección de equipos para el prensado y secado
del combustible.
Integración con el proceso de
preparación de combustible actual.

El presente informe pretende
aportar antecedentes técnicos que permitan mejorar el uso
del combustible y el manejo de residuos
sólidos existentes en Forestal y Papelera
Concepción S.A. como insumos en la producción de
vapor de proceso.

El estudio se justifica en la necesidad creciente de
generar vapor de bajo costo, mantener la humedad del combustible
dentro de rangos aceptables que permitan mejorar el rendimiento
de la caldera, utilizar los desechos sólidos producidos en
la Planta y aumentar la producción de vapor de proceso.
Este último factor es una necesidad permanente, si se
piensa que Papelera Concepción está incrementando
gradualmente la producción de papel.

1. ANTECEDENTES DE
  LA EMPRESA
ANTECEDENTES DE LA EMPRESA Y SU
PRODUCCIÓN

La Empresa Forestal
y Papelera Concepción S.A., inicia sus actividades
productivas a comienzo del año 1996, perteneciente, en
partes iguales, Inversiones
Saieh y Forestal Curimaqui S.A. Está dedicada,
principalmente, a la producción de papel de diario,
destinado a clientes
regionales, nacionales y extranjeros.

La planta se encuentra ubicada en el sector Parque
Industrial Escuadrón II (Km. 17 ½), de la comuna de
Coronel.

Su Producción media anual es de 40.000 toneladas
de papel, con una dotación directa de 185 personas. La
tecnología
utilizada es de procedencia Sueca y es semi automatizada, sin
embargo, desde hace un tiempo se
están haciendo mejoras en el proceso, con el fin de tener
una mayor calidad y producción.

La planta se encuentra dividida en 10 áreas, para
su identificación, se hace uso del código
que a continuación se indica:

Área 10 : Planta de Preparación de
Madera
Área 15 . Fabricación de
Pulpa
Área 25 : Maquina Papelera
Área 35 : Bobinado
Área 45 : Embalado
Área 55 : Planta de Agua
Área 60 : Caldera a Gas y/o
Petroleo
Área 62 : Caldera Biomasa
Área 70 : Efluentes

El Producto
genérico que la empresa obtiene es el papel en
bobinas para impresión de diarios. Puede fabricarse
en distintos formatos, según los requerimientos del
cliente.
El papel es fabricado con un 100% de pulpa
mecánica producida en la
Fábrica de Pulpa (como se describe
posteriormente).
Los principales tipos de papel que se fabrican
son:
Papel impresión periódico 48,8
(g/m2)
Papel voluminoso 50 (g/m2)
Papel base corrugado 50-52
(g/m2)
TIPOS DE PAPELES QUE SE FABRICAN EN
F.P.C.
PROCESO GENERAL DE
PRODUCCIÓN

La producción de papel se basa en la pulpa
obtenida del procesamiento de las astillas de Pino Radiata, por
medios
mecánicos.

El rendimiento de la madera como materia prima
es entre 93-95%, en comparación con las pastas
químicas que están alrededor de 50%. El proceso
productivo consta de tres etapas principales:

Preparación de madera
Obtención de pulpa
Fabricación de papel.

Figura 1 Flujo
grama

La madera es transportada hacia la planta en
camiones. Estos transportan los trozos con un largo de 2.44
(m). Con diámetros comprendidos entre 0,10-0,35
(m).
Estos trozos son acumulados en la cancha de
acopio, que tiene una dimensión de 2000 (m²).
En estas canchas se mantiene un Stock de madera y
además los trozos son mojados con aspersores de
agua,
para evitar la presencia de hongos
cromógenos que pueden producir la mancha azul. La
presencia de la mancha azul afecta los valores de blancura
del papel y exige mayor proporción de agente
blanqueante.
La madera se retira de las canchas de almacenamiento a través de un monta
carga que alimenta la mesa de entrada de un descortezador
de cuchillos. Una vez que se elimina la corteza los trozos
son conducidos por una cadena transportadora la cual
abastece con trozos al astillador que produce astillas de
madera con un tamaño 18 a 20 milímetros de
largo, y 8 milímetros de espesor este tamaño
se consigue haciéndolas pasar por un tamiz o malla
de clasificación.
Estos chips son almacenados en un silo, el
cuál tiene una capacidad de 1400 m3. (Ver
figura 2)

Figura 2 Preparación madera
ETAPA
PREPARACIÓN MADERA
El objetivo
de esta área (ver figura 3) es producir la pulpa
necesaria para la máquina papelera a partir de la
astilla de pino radiata.
El proceso de obtención de pulpa se
efectúa con refinadores de doble disco, en una
configuración de dos etapas de refinación y
con una etapa previa de precalentamiento de astillas. La
pulpa obtenida por este proceso es conocida como pulpa
T.M.P. (Thermo Mechanical Pulp).
El proceso de pulpa parte con una etapa de lavado
y transporte donde llegan las astillas desde
el área de preparación madera de astillas que
alimentan a los refinadores primarios (1° etapa),
previo paso por los precalentadores de astillas que tiene
cada refinador en forma individual. El proceso
continúa en un silo vaporizador. En este equipo la
astilla es precalentada entre 90° y 100° C a
través de una inyección de vapor.
La pulpa obtenida en la primera etapa de
refinación cae por gravedad a un estanque de
transferencia para luego bombearse a una prensa
inter etapa de tornillo, que tiene como función elevar la consistencia de
pulpa a un 30% para alimentar posteriormente a los
refinadores de segunda etapa.
La pulpa obtenida en la segunda etapa cae por
gravedad al estanque de reposo. Esta pulpa es bombeada al
sistema de depuración. La pulpa aceptada pasa a la
etapa de espesado, para luego almacenar la pulpa en una
torre de alta consistencia (T.A.C) a un 16%.
La pulpa rechazada es enviada a un sistema de
espesado para alimentar al refinador de rechazo y
finalmente caer por gravedad al estanque de
latencia.
Las propiedades del papel dependen en gran manera
de la estructura de las diversas fibras que
contienen la hoja. Las características estructurales
más importantes son la longitud y espesor de fibra.
Se requiere una longitud y espesor mínimo para una
buena unión entre fibras. Las fibras más
gruesas tienden a producir una hoja más abierta y
voluminosa.
Frecuentemente, la pulpa T.M.P. contiene materiales indeseables tales como chips no
refinados, haces de fibra, aserrín. Estas impurezas
son clasificados normalmente como shives. La pulpa mecánica puede contener
también otros materiales como corteza y arena. Si
una fracción cualquiera de estos contaminantes
alcanza el producto final, la calidad y eficiencia de producción se reduce.
Los shives obstruyen la operación de la
máquina papelera y provoca cortaduras del papel en
las prensas. También pueden producir pintas en el
papel terminado y reducir la capacidad de
impresión.
La pulpa T.M.P. puede contener fibras largas, que
son fibras pobremente tratadas en la refinación o
más abiertas. Estas fibras hacen aumentar el grado
de drenaje de la pulpa (freeness). Finalmente, estas fibras
largas se ven reflejadas en la elaboración del
producto final, disminuyendo la calidad del papel. Los
parámetros que se ven afectados son principalmente
la porosidad y espesor del papel, quedando fuera de las
especificaciones establecidas y debiendo ser rechazado en
el control de
calidad.

Figura 3 Preparación pulpa
ETAPA DE
ELABORACIÓN DE PULPA
FABRICACIÓN
DEL PAPEL

La elaboración del papel se realiza en sub
procesos que
son:

Preparación de pastas
Circuito de aproximación
Formación de la hoja
Prensado
Secado
Calandriado
Bobinado y embalado

En esta etapa del proceso se prepara la mezcla de
pulpas (pastas) para la producción de papel. Las
pastas usadas son las provenientes del estanque T.A.C o
pasta virgen proveniente de pulpa, otra correspondiente a
finos recuperados del proceso y papel reciclado generado en
la planta.
La primera etapa de la preparación de pasta
es su blanqueo, proceso que se realiza en línea con
la inyección de agente blanqueador (hidrosulfito de
sodio). La pulpa blanqueada obtenida se almacena en el
estanque T.M.P..
Otra pasta utilizada es la de recorte, que es
obtenida del reciclado del papel rechazado en la
máquina papelera y despuntes en la bobinadora,
utilizando normalmente entre un 5 a 20%. Esta pasta se
tiene almacenada en el estanque de recorte a una
consistencia adecuada para el proceso.
También se utiliza la pasta o finos
obtenidos en un filtro de disco que recupera la pasta
presente en las aguas de proceso, ésta representa
aproximadamente un 5%.
Las tres pastas se mezclan en una cuba de
mezcla, de acuerdo a la proporción que se
esté utilizando, obteniendo así una mezcla
homogénea de pulpa preparada para entrar al circuito
de aproximación.
Preparación de Pasta
La mezcla preparada en la etapa anterior es
bombeada a la cuba de máquina para entrar al
circuito de aproximación.
En este punto la pasta tiene una consistencia de
aproximadamente 3 %, la cual alimenta a un cajón de
nivel para luego entrar al silo de agua de máquina
donde se produce una dilución de la pasta al 0.8%.
La pasta es ingresada por una bomba de velocidad variable que alimenta en su
recorrido a dos equipos de depuración, centricleaner
y colador vertical, para luego alimentar el equipo
principal de esta etapa que es el cajón presión. El punto de unión
entre circuito de aproximación y etapa de
formación es el cajón
presión.
En esta etapa se agregan 3 productos químicos a la pasta, uno
para dar el tono al papel periódico (matizante),
adicionando en la succión de la bomba que saca la
pasta de la cuba máquina. Adicionalmente se agregan
dos productos como agentes de retención de finos de
la hoja, un coagulante que se adiciona en la succión
de la bomba FAN y un floculante adicionado en la salida del
colador vertical.
Circuito de Aproximación
La hoja es formada en la mesa de formación
o Foudrinier, que cuenta con un formador superior e
inferior. Cada formador cuenta con una tela sin fin y un
sistema de extracción de agua.
El cajón presión descarga la mezcla
de agua con pasta (99.3% de agua y 0.7% de pasta) a la mesa
inferior, donde comienza a efectuase la extracción
de agua e ir formando la hoja de papel por el
entrecruzamiento de las fibras. En este equipo se retira la
mayor cantidad de agua. Del total alimentado,
aproximadamente 18.000 litros por minuto, continúan
en el proceso solo 416, siendo el resto agua que se re
circula en el proceso.
La hoja formada de este proceso sale con una
consistencia del 18% para luego pasar a las
prensas.
Formación de la hoja
Esta máquina cuenta con dos prensas en
serie, denominadas internamente como primera y segunda
prensa. Su finalidad es extraer parte del agua de la hoja
por estrujamiento a través de rodillos. Están
dotadas con un rodillo superior de granito que pesa
aproximadamente 5000 (Kg.). y además tiene asociado
un sistema hidráulico para aumentar la
presión sobre la hoja. El rodillo inferior es de
goma y puede ser perforado. Además cada prensa tiene
un paño que cumple la función de transportar
el agua
que se extrae de la hoja en el punto de contacto entre el
rodillo superior e inferior.
Proceso de Prensado
Para efectuar este proceso, se cuenta con un
secador compuesto de 33 cilindros, una capota que envuelve
a éstos, un sistema de inyección de vapor a
los cilindros, un sistema de extracción de
condensado y por último un sistema de
extracción de vahos generados en el proceso de
secado de la hoja.
A los cilindros secadores se les inyecta en el
interior vapor de agua a una presión determinada y
se extrae de ellos el condensado que se produce por el
efecto de secar la hoja. (Este vapor de agua es proveniente
de Área 60 o Servicio, la cual está provista de
dos Calderas, una Generadora con gas natural
la cual aporta una masa 6 (Ton/hr) de vapor y una Caldera
de desechos que se llamará en adelante Caldera
(D.H.M).. Esta última aporta 14 (Ton/hr) de
vapor.
A su vez el papel se hace pasar por la parte
exterior de los cilindros secadores que se encuentran a una
temperatura superficial controlada para
llegar a una hoja seca con un 8% de humedad. Además
cada grupo
secador tiene asociado su paño secador que conduce
al papel por su recorrido en
este sistema.
Proceso de Secado.
A la salida del secador la hoja está
formada y algunas características físicas y
ópticas ya determinadas, siendo la tersura y espesor
parámetros aún en proceso.
El Calandriado cumple la función de
planchado de la hoja, esto se efectúa pasando la
hoja por un set de rodillo metálicos rectificados
que principalmente por su propio peso ayudan a obtener
valores de tersura y espesor deseados.
Calandriado
Bobinado y embalado

Los rollos de papel que salen de la máquina
papelera tienen un ancho aproximado de 0,384 (m) y un peso neto
de 6500 (Kg.), estos rollos ahora deben ser formateados de
acuerdo a los requerimientos del cliente, proceso que se
efectúa en la bobinadora. Aquí el operador de
acuerdo a un programa de
producción ajusta los cortes necesarios que se deben hacer
al rollo en todo su ancho. El resultado son bobinas con un ancho
que va desde 0,32 a 1,52 (m) y un peso de 300 a 750 (Kg). Con un
diámetro de 1,02 ± 0,05 (m). Las bobinas una vez
inspeccionadas y aceptadas son embaladas con una cubierta de
papel de embalaje, etiquetadas y almacenadas en la Bodega de
Productos terminados para su posterior despacho a clientes. Cada
una de las etapas del proceso de la máquina papelera se
efectúan muestreos de las pastas y papel por parte del
departamento de control de
calidad, con el objetivo de entregar al cliente un producto que
cumpla con las especificaciones de compra.

Figura 4 Fabricación
papel

ANTECEDENTES
GENERALES.
Una de las consecuencias de la actividad
forestal / madera es la generación de residuos
sólidos de la madera, no solo debido al problema de
acumulación que estos generan, sino que su
almacenamiento tiene problema como la auto
combustión de la corteza y/o la toxicidad de los
residuos impregnados que suelen estar presentes en este
tipo de procesos. Además debido a su origen y
niveles de producción, estos residuos están
catalogados como residuos industriales (RISES), lo que no
permite disponer de ellos en actuales vertederos
municipales autorizados como el de Copiulemo, propiedad de Hidronor.
Por otro lado, un número importante de
empresas
forestales ha cambiado el carácter de residuos a sus desechos
de madera, transformándolos en productos
útiles, como por ejemplo, materia
prima para tableros, compostaje o simplemente en
combustible para calderas especializadas en la
combustión en este tipo de residuos.
Los sólidos que genera Forestal y Papelera
Concepción S.A. en su proceso productivo, se puede
describir de la siguiente manera:
1. Corteza
2. Desecho del descortezador en húmedo del
  pino radiata. Actualmente se acopia en rumas en el
  extremo oeste del patio de maniobra situado al oeste de
  la zona de proceso. Su humedad es de aproximadamente un
  70% base húmeda, su granulometría no es
  uniforme, encontrándose también trozos de
  gran tamaño (0.5 metros). Anteriormente
  existían compradores para este tipo de desechos
  que lo usaban como combustible, sin embargo en la
  actualidad existen un exceso de oferta de corteza en la zona.
  Desecho de la clasificación del chip.
  Se apila en la zona de la correa transportadora que
  carga el silo de chip. Su granulometría es
  uniforme y su aspecto es como el aserrín pero de
  partículas de tamaño más grande.
  En el pasado, Masisa Planta Mapal, Industria de Madera
  Río Itata y otros lo han comprado para su uso en
  la producción de tableros.
3. Pin chip
4. Pasta

Desecho que se genera en filtros, ubicados en la zona de
la piscina decantadora, que retiran el agua desde el
sólido que se recupera en esta zona. Es el desecho
más húmedo y tiende a aglomerarse o formar
pellet.

Los desechos húmedos de madera como corteza y
pasta en general son de más complicada utilización
por su exceso de oferta y contenido de humedad
respectivamente.

Como el consumo
mensual de pino radiata para la producción de papel es del
orden de 4600 metros ruma. Una caracterización
típica en esta especie, indica que el porcentaje de
corteza es de 7% en peso. En consecuencia la corteza total
mensual seria 537 (Ton/mes) de corteza (1343
m3).

Estos residuos generados son aprovechados como
combustibles en una caldera ubicada en el sector de área
62 que corresponde a la Cadera D.H.M. (Desecho Húmedo
Madera), caldera que cuenta con las siguientes
características:

Caldera Industrial, dos pasos de gases, de
construcción soldada, con ante hogar de
albañilería refractaria, paredes
radiantes y parrilla refrigerada por agua, para quemar
aserrín residuos de madera, es alimentada por gravedad al
ante hogar mediante transportador de cadena y dosificada mediante
válvulas.

Características de Caldera Mixta
D.H.M.

Capacidad de generación de vapor 13
(Ton/hr)
Superficie de
calefacción 445 (m2)
Presión de diseño 15 (Kg/cm2)
Presión de trabajo 14 (Kg/cm2)
Presión de
prueba 22,5 (Kg/cm2)
Combustible Residuos de madera
Consumo de combustible 3.680 (Kg/hr)
Eficiencia 65 %
Acuotubular 1ra Pasada
Pirotubular 2da pasada

FLUJO_GRAMA
caldera1.dwg Figura 5 Flujo grama caldera

Las calderas de vapor son unos aparatos en los que
se hace hervir agua para producir vapor. El calor necesario
para calentar y vaporizar el agua puede ser suministrado por
un hogar, por gases calientes recuperados a la salida de otro
aparato industrial (horno, por ejemplo), por el fluido
refrigerador de una pila atómica, por
irradiación solar o por una corriente
eléctrica. Cuando el calor es suministrado por en
líquido caliente o por vapor que se condensa, se
suelen emplear otras denominaciones, tales como vaporizador y
transformador de vapor. El sinónimo generador de vapor
se emplea de preferencia cuando se habla de calderas de una
cierta importancia. Si la caldera propiamente dicha
está conectada a otros, de los cuales unos calientan
el agua (recalentadores de agua, economizadores) o el
aire de
combustión (precalentador de aire), y otros
recalientan el vapor (recalentadores), suele denominarse el
conjunto grupo evaporador, y la parte del grupo en que se
produce la evaporación se llama vaporizador o haz
vaporizador.
Los aparatos que quitan su vapor al fluido
refrigerador de un reactor nuclear (pila atómica), si
bien constituyen verdaderos evaporadores o calderas en
sentido amplio de la palabra, se denominan normalmente
intercambiadores. Durante su funcionamiento, la caldera
propiamente dicha está sometida interiormente a la
presión de equilibrio
del agua y de su vapor a la temperatura alcanzada. Los otros
elementos del grupo recorridos por el agua o el vapor, a
partir de la bomba de alimentación (economizador,
recalentador), están sometidos casi a la misma
presión, pero la temperatura del fluido puede ser
inferior o superior a la ebullición.
La forma de las calderas de vapor ha evolucionado
considerablemente y, sobre todo, se ha diversificado, incluso
si nos limitamos a considerar las calderas calentadas por
hogares. Las primeras calderas consistían
esencialmente en recipientes cerrados, cuya parte inferior,
llena de agua, estaba sometida a la irradiación de un
hogar o al contacto de gases calientes. Para obtener,
además, grandes superficies de contacto, se
construyeron más adelante calderas con hervidores,
situados debajo del cuerpo cilíndrico principal y
conectados a éste mediante conductos tubulares. En
este sentido ha constituido una nueva etapa la
aparición de las calderas semitubulares, cuyo cuerpo
principal está atravesado por un haz
tubular.
Otro medio de aprovechar mejor el calor producido en
el hogar ha consistido en emplazar éste en el interior
de la caldera, estando constituido por un cilindro de
plancha, cuya superficie externa está enteramente
bañada por el agua.
1. 1. Acuotubulares
  2. Las calderas Acuotubulares (el agua
    está dentro de los tubos) eran usadas en
    centrales eléctricas y otras instalaciones
    industriales, logrando con un menor diámetro y
    dimensiones totales una presión de trabajo
    mayor, para accionar las máquinas a vapor de principios de siglo.
    En estas calderas, los tubos longitudinales
    interiores se emplean para aumentar la superficie de
    calefacción, y están inclinados para
    que el vapor a mayor temperatura al salir por la
    parte más alta, provoque un ingreso natural
    del agua más fría por la parte
    más baja. Originalmente estaban
    diseñadas para quemar combustible
    sólido.
    La producción del vapor de agua
    depende de la correspondencia que exista entre dos de
    las características fundamentales del estado gaseoso, que son la
    presión y la temperatura.
    A cualquier temperatura, por baja que esta
    sea, se puede vaporizar agua, con tal que se
    disminuya convenientemente la presión a que se
    encuentre sometido dicho líquido, y
    también a cualquier presión puede ser
    vaporizada el agua, con tal que se aumente
    convenientemente su temperatura.
    1. Ventajas
    La Caldera de tubos de agua tiene la ventaja
    de poder trabajar a altas presiones dependiendo del
    diseño hasta 24.6
    (Kg./cm2)
    Se fabrican en capacidades de 15 hasta 1500
    (Kw.).
    Por su fabricación de tubos de agua
    es una caldera "INEXPLOSIBLE".
    La eficiencia térmica está por
    arriba de cualquier caldera de tubos de humo, ya que
    se fabrican de 3, 4 y 6 pasos dependiendo de la
    capacidad.
    El tiempo de arranque para producción
    de vapor a su presión de trabajo no excede los
    20 minutos.
    Los equipos son fabricados con materiales
    que cumplen con los requerimientos de normas.
    Son equipos tipo paquete, con todos sus
    sistemas para su operación
    automática.
    Son utilizados quemadores ecológicos
    para combustión, gas y diesel.
    Sistemas de modulación automática
    para control de admisión aire-combustible a
    presión.
    El vapor que produce una caldera de tubos de
    agua es un vapor seco, por lo que en los sistemas de
    transmisión de calor existe un mayor
    aprovechamiento. El vapor húmedo producido por
    una caldera de tubos de humo contiene un porcentaje
    muy alto de agua, lo cual actúa en las paredes
    de los sistemas de transmisión como aislante,
    aumentando el consumo de vapor hasta en un
    20%.
  3. Pirotubulares.
  La caldera de vapor pirotubular, concebida
  especialmente para aprovechamiento de gases de
  recuperación presenta las siguientes
  características.
  El cuerpo de caldera, está formado por un
  cuerpo cilíndrico de disposición
  horizontal, incorpora interiormente un paquete
  multitubular de transmisión de calor y una
  cámara superior de formación y
  acumulación de vapor.
  La circulación de gases se realiza desde
  una cámara frontal dotada de brida de
  adaptación, hasta la zona posterior donde termina
  su recorrido en otra cámara de salida de
  humos.
  El acceso al cuerpo lado gases, se realiza
  mediante puertas atornilladas y abisagradas en la
  cámara frontal y posterior de entrada y salida de
  gases, equipadas con bridas de conexión. En cuanto
  al acceso, al lado agua se efectúa a través
  de la boca de hombre, situada en la bisectriz superior
  del cuerpo y con tubuladuras de gran diámetro en
  la bisectriz inferior y placa posterior para facilitar la
  limpieza de posible acumulación de
  lodos.
  El conjunto completo con sus accesorios, se
  asienta sobre un soporte deslizante en una bancada
  sólida de firme construcción,
  suministrándose como unidad compacta y dispuesta a
  entrar en funcionamiento tras realizar las conexiones e
  instalación.
2. TIPOS DE
  CALDERAS
  Las Calderas o Generadores de vapor son
  instalaciones industriales que, aplicando el calor de un
  combustible sólido, líquido o gaseoso,
  vaporizan el agua para aplicaciones en la
  industria.
  Hasta principios del siglo XIX se usaron
  calderas para teñir ropas, producir vapor para
  limpieza, etc., hasta que Papin creó una
  pequeña caldera llamada "marmita". Se
  usó vapor para intentar mover la primera
  máquina homónima, la cual no funcionaba
  durante mucho tiempo ya que utilizaba vapor húmedo
  (de baja temperatura) y al calentarse ésta dejaba
  de producir trabajo útil.
  Luego de otras experiencias, James Watt
  completó una máquina de vapor de
  funcionamiento continuo, que usó en su propia
  fábrica, ya que era un industrial inglés muy conocido.
  La máquina elemental de vapor fue
  inventada por Dionisio Papin en 1769 y desarrollada
  posteriormente por James Watt en 1776.
  Inicialmente fueron empleadas como
  máquinas para accionar bombas
  de agua, de cilindros verticales. Ella fue la impulsora
  de la revolución industrial, la cual
  comenzó en ese siglo y continua en el
  nuestro.
  Máquinas de vapor alternativas de variada
  construcción han sido usadas durante muchos
  años como agente motor,
  pero han ido perdiendo gradualmente terreno frente a las
  turbinas. Entre sus desventajas encontramos la baja
  velocidad y (como consecuencia directa) el mayor peso por
  Kw de potencia, necesidad de un mayor espacio
  para su instalación e inadaptabilidad para usar
  vapor a alta temperatura.
  Dentro de los diferentes tipos de calderas se
  han construido calderas para tracción, utilizadas
  en locomotoras para trenes tanto de carga como de
  pasajeros. Vemos una caldera multi-humo tubular con haz
  de tubos amovibles, preparada para quemar carbón o
  lignito. El humo, es decir los gases de
  combustión caliente, pasan por el interior de los
  tubos cediendo su calor al agua que rodea a esos
  tubos.
  Para medir la potencia de la caldera, y como
  dato anecdótico, Watt recurrió a medir la
  potencia promedio de muchos caballos, y obtuvo unos
  33.000 libras-pie/minuto o sea 550 (libras-pie/seg),
  valor
  que denominó HORSE POWER, potencia de un
  caballo.
  Posteriormente, al transferirlo al sistema
  métrico de unidades, daba algo más de 76
  (Kg.xm/seg). Pero, la Oficina Internacional de Pesos y Medidas
  de París, resolvió redondear ese valor a 75
  más fácil de simplificar, llamándolo
  "Caballo Vapor" en homenaje a Watt.
  1. Proceso de
    vaporización
  El vapor o el agua caliente se producen mediante
  la transferencia de calor del proceso de
  combustión que ocurre en el interior de la
  caldera, elevando, de esta manera, su presión y su
  temperatura.
  Debido a estas altas presiones y temperaturas se
  desprende que el recipiente contenedor o recipiente de
  presión debe diseñarse de forma tal que se
  logren los limites de diseño deseado, con un
  factor de seguridad razonable.
  Por lo general, en las calderas pequeñas
  empleadas para la calefacción domestica, la
  presión máxima de operación es de
  1.06 (kg/m2). En el caso del agua caliente,
  esta es igual a 232 oC.
  Las calderas grandes se diseñan para
  diferentes presiones y temperaturas, con base en la
  aplicación dentro del ciclo del calor para la cual
  se diseña la unidad.
3. CALDERA DE
  VAPOR
  Los combustibles están caracterizados por
  un poder calorífico (cantidad de
  (kilocalorías / kilogramo) que suministran al
  quemarse), un grado de humedad y unos porcentajes de
  materias volátiles y de cenizas.
  Esto datos
  son de gran utilidad para determinar las condiciones
  prácticas de la combustión, pero no son
  suficientes para estudiar el mecanismo de las diferentes
  combinaciones químicas.
  El análisis químico es quien
  permite distinguir los diferentes elementos (puros) que
  constituyen el combustible. Estos elementos se pueden
  clasificar en dos grandes categorías.
  Elementos activos, es decir: combinables
  químicamente con el comburente, cediendo calor.
  Son el carbono, hidrógeno, azufre, etc.
  Elementos inertes, que no se combinan con el
  comburente y que pasarán como tales a los residuos
  de la combustión. Son el agua, nitrógeno,
  cenizas, etc.
  El objeto de la combustión,
  refiriéndonos a los hogares, es el de proporcionar
  una producción de calor uniforme y regulada para
  ser transmitida a un medio que la absorba. Una de las
  cuestiones más importantes es la de suministrar
  una cantidad exacta de oxígeno por unidad de peso del
  combustible para que se realice la combustión
  completa.
  Además de la exactitud correcta de la
  mezcla "aire-combustible", se debe dar el tiempo
  necesario para que la mezcla sea íntima para que
  el combustible arda completamente; la temperatura del
  hogar debe ser tal que mantenga la combustión. La
  mejor manera de estudiar la combustión en un hogar
  consiste en relacionarla directamente con el
  análisis del combustible usado, para el cálculo de la cantidad necesaria de
  aire y de 103 productos gaseosos formados.
4. IMPORTANCIA DE LA
  ELECCIÓN DE UN BUEN COMBUSTIBLE
5. Se denomina aire mínimo o teórico
  para la combustión a la cantidad
  estequiométrica de este, necesaria para una
  combustión completa
  Se considera que un combustible (sólido o
  líquido) está formado por carbono,
  hidrógeno, oxígeno y azufre, siendo su
  composición en tanto por uno en peso.
  PC Kg. de carbono / Kg. de
  combustible
  PH2 Kg. de hidrógeno / Kg. de
  combustible
  PO2 Kg. de oxígeno / Kg. de
  combustible
  PS Kg. de azufre / Kg. de
  combustible
  de tal forma que se verifique:
  Teniendo en cuenta que las reacciones
  químicas de la combustión completa
  son:
  
  y teniendo en cuenta los pesos moleculares
  correspondientes, se tiene que para quemar Pc Kg. de
  carbono, se necesita:
  PC kg de oxígeno = 2,67 Pc
  kg de O2
  De la misma forma, para quemar los
  PH2 Kg. de hidrógeno, se
  necesita:
  PH2 kg de oxígeno = 8
  PH2 kg de O2
  y para la combustión completa de los Ps
  Kg. de azufre se necesitarán:
  PS kg de oxígeno =
  PS kg de O2
  Ahora bien, como el combustible contiene ya
  PO2 Kg. de oxígeno, el oxígeno
  mínimo que hay que aportar para producir la
  combustión completa de 1 Kg. de combustible
  será:
  Om = 2,67 PC + 8
  PH2 + PS – PO2 kg de
  oxígeno.(1)
  Como la composición media, en peso, del
  aire es aproximadamente de 21% de oxígeno y 79% de
  nitrógeno, el aire mínimo expresado en
  kilogramos será:
  La combustión en una caldera se realiza
  con el fin de obtener energía, y es obvio que para
  una mejor rentabilidad es preciso recuperar, del modo
  más posible, la energía química contenida en potencia en el
  combustible. Esta energía química va a
  liberarse bajo la forma de calor en las reacciones de la
  combustión. Este calor va a ser recuperado en la
  caldera para producir vapor y recalentarlo. La diferencia
  entre la energía en potencia, contenida en el
  combustible, y la energía absorbida por el vapor
  constituye la energía perdida (calorías
  perdidas). El rendimiento de la combustión es,
  pues, función de estas pérdidas. Las causas
  de estas pérdidas son numerosas.
6. TEORÍA DE LA
  COMBUSTIÓN COMPLETA E INCOMPLETA
  1. Leña
7. TIPOS DE
  COMBUSTIBLES PARA CALDERAS
CALDERAS

Casi tan antiguo como la existencia del hombre es la
utilización del fuego como medio de calefacción. El
control sobre él dispuso a voluntad, de un medio practico
para resguardarse de los crudos inviernos. Históricamente
la leña ha sido el método
más tradicional de calefacción, aunque su
utilización a cielo abierto siempre restó eficacia a su
poder calorífico. El nacimiento de los hogares cerrados,
primero en piedra y luego en fundición, comenzaron a
aprovechar la verdadera potencia de la leña.

Enumerar las ventajas de la leña es mezclar
sentimientos con elementos físicos. Así
podríamos decir que:

Es un elemento combustible sin poder de
explosión
Alto poder calórico de algunas
especies
Elemento biodegradable aun después de su
combustión
Imagen afectiva ligada al ambiente
hogareño
Alto poder de fascinación visual
Afecta a varios aspectos sensitivos (olor, vista,
tacto, oído)
Precio razonablemente económico (incluso
gratis)
Poder de reunión (imagen
común de personas a su alrededor)

Aspecto importante a tener en cuenta a la hora de tratar
la leña es su humedad. La leña para ofrecer sus
más altas cotas de poder calorífico ha de estar
liberada en su mayor parte de la humedad. Para ello es importante
respetar los tiempos de secado condicionados por el método
de almacenamiento. Se recomienda un tiempo mínimo de 18
meses, preferentemente almacenándolos a
cubierto.

Para esas condiciones y transcurridos esos meses la
humedad inicial que podía ser de un 75% pasaría a
ser del 15%, humedad suficientemente baja como para evitar los
problemas de
quemar leña sin secado previo:

Leña con alto grado de humedad reduce su poder
calorífico
Dificulta el encendido
Su combustión produce condensación y
alquitrán en los conductos de humo.

Carbón
Vegetal

La madera o leña es un compuesto de oxigeno,
hidrógeno, carbono y ázoe. Sustancias que se
transforman en otras a través de la combustión. Si
se quema leña al aire libre, ésta se consume por
completo; los gases contenidos en ella, tales como el
ácido carbónico, el óxido de carbono y el
vapor de agua, se transforman en humo y sus partes sólidas
se convierten en cenizas.

CAPACIDAD
CALORÍFICA

La combustión es el conjunto de combinaciones
químicas que se producen en ciertas condiciones,
desprendiendo calor, cuando se pone en contacto un combustible y
un carburante.

Partes: 1, 2

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