Causas típicas de problemas de escoria y ensuciamiento en calderas

La escoria y el ensuciamiento de las calderas, y el resultante funcionamiento frecuente de los sopladores de hollín, son algunos de los principales factores de operación y mantenimiento que pueden afectar negativamente la confiabilidad y eficiencia de las plantas de energía.

La escoria y el ensuciamiento de las calderas se encuentran entre las causas más comunes de problemas de mantenimiento en las centrales eléctricas alimentadas con carbón. Aunque no se puede eliminar totalmente el problema, seguir prácticas adecuadas de operación y mantenimiento puede reducir drásticamente el tiempo y los problemas para solucionarlo.

Repasemos qué es la escoriación antes de entrar en las causas y correcciones de la escoriación y el ensuciamiento.

La escoria son cenizas fundidas y subproductos incombustibles que quedan después de la combustión del carbón. Cuando el material se enfría a una determinada temperatura, puede adherirse a los componentes del horno, como las paredes de agua, lo que se denomina escoria.

Una caldera alimentada con carbón pulverizado está diseñada con una cavidad de horno grande que puede tolerar escoria en fase líquida en las paredes de agua. Sin embargo, la salida del horno debe estar a una temperatura lo suficientemente baja como para que la escoria se enfríe por debajo de su temperatura de ablandamiento.

Una temperatura típica de fusión de cenizas de combustible bituminosas se determina utilizando la norma D1857 de la Sociedad Estadounidense de Pruebas y Materiales (ASTM). Para realizar la prueba, se coloca un cono de ceniza en un horno de laboratorio y el horno se calienta lentamente. La temperatura del horno se registra en cuatro puntos a medida que se deforma el cono de cenizas.

La temperatura del primer punto, cuando la punta del cono de ceniza se embota, se denomina "temperatura de deformación inicial". A medida que el horno se calienta más, se registra la temperatura cuando la ceniza se ablanda y la altura (H) del cono es igual al ancho (W). Este valor se conoce como "temperatura de ablandamiento". El calentamiento continúa, lo que hace que el cono de ceniza se hunda aún más hasta H = 1/2 W. Esta temperatura se llama "temperatura hemisférica". Finalmente, cuando el cono de ceniza se vuelve líquido, se anota la temperatura y se la denomina “temperatura del fluido” de la ceniza.

Los laboratorios modernos utilizan hornos más avanzados que cuando se desarrolló el método por primera vez, pero el informe de las temperaturas de fusión de las cenizas aún se completa utilizando los mismos cuatro niveles de fusión de las cenizas: deformación inicial, ablandamiento, semiesférico y fluido.

El propósito de la prueba de laboratorio es determinar el estado aproximado de las cenizas cuando se encuentran en diversas partes de un horno de caldera. Para la escoria y las incrustaciones, la cuestión más importante es que los gases del horno o “productos de la combustión” salgan del horno a una temperatura tal que las cenizas no sean demasiado pegajosas. Una buena aproximación es hacer que los gases de salida del horno estén entre 100 °F y 150 °F más fríos que la temperatura de ablandamiento de las cenizas.

He visto hornos donde los gases de salida del horno están por encima de la temperatura del fluido, y es posible operar una caldera con cenizas en fase líquida fluyendo a través del sobrecalentador y el recalentador, pero no es aconsejable por razones de corrosión de las cenizas de carbón y la necesidad de Soplado de hollín retráctil largo y casi continuo para mitigar los depósitos de ceniza.

La "incrustación" generalmente se refiere a depósitos que ocurren en el paso de convección después de que los gases salen del horno. La contaminación generalmente se atribuye a cenizas y acumulaciones que se forman en los bordes delanteros de los tubos del sobrecalentador y del recalentador (Figura 1), especialmente en las patas de salida, que están por encima de los 1000 °F de temperatura de la superficie del metal. Los depósitos se eliminan soplando hollín.

Cuando se utilizan sopladores de hollín largos y retráctiles para liberar los depósitos de ceniza, las partículas de ceniza se arrastran hacia la corriente de gases de combustión y crean cenizas, que pueden bloquear las vías de flujo del catalizador de reducción catalítica selectiva (SCR), obstruir las cestas del calentador de aire y puentear las tuberías de la caldera. en el paso de convección. Normalmente, las zonas de la caldera designadas como susceptibles a la escoria son desde la cinta del quemador hasta la salida del horno.

El calor fluye del más caliente al más frío y, por lo tanto, para producir vapor sobrecalentado de 1000F a 1100F y salidas de vapor recalentado, la temperatura del gas de salida del horno (FEGT) debe estar por encima de aproximadamente 1500F en la entrada de gas del recalentador para impulsar el flujo de calor hacia el recalentador y sobrecalentador para crear las temperaturas de vapor deseadas. En consecuencia, el punto óptimo para el FEGT de una caldera alimentada con carbón pulverizado debe ser de aproximadamente 2150 °F a 2250 °F para lograr las temperaturas de vapor deseadas sin formación de escoria. Por debajo de 2150 °F resulta difícil alcanzar las temperaturas de vapor de diseño. Por encima de los 2250 °F en términos de gas a granel, se acerca a la temperatura de fusión de las cenizas en algunos combustibles.

Se considera que los combustibles con temperaturas de fusión de cenizas extremadamente altas son “favorables a las calderas” y tolerantes. Los combustibles con temperaturas de fusión de cenizas más bajas requieren un ajuste de combustión más preciso y un mayor soplado de hollín para mitigar los depósitos de escoria.

Echemos un vistazo al análisis de fusión de cenizas de carbón D1857 que se muestra en la Tabla 1 como ejemplo. Dadas las temperaturas ASTM D1857 del análisis de fusión de cenizas, se puede estimar la condición de las cenizas en el horno y en la salida del horno, si se conocen las temperaturas.

En este ejemplo, el análisis de cenizas de carbón muestra una temperatura del fluido en una "atmósfera reductora" de 2410 °F. Por lo tanto, si hay líneas de productos de combustión que son ricas en combustible y que aún se queman activamente, entonces esto es, de hecho, una “atmósfera reductora” para la línea particular de productos de combustión ricos en combustible. En la práctica, esto podría deberse a que un quemador tiene mucho combustible y poco aire. De hecho, los productos de la combustión de ese quemador pueden acumular escoria en la salida del horno.

Algunos combustibles son más implacables que otros. El contenido de hierro en las cenizas de carbón es un factor importante. Las cenizas que tienen entre un 15% y un 20% de contenido de hierro tendrán una temperatura del fluido de cenizas en una atmósfera reductora hasta 500F más baja que la misma ceniza en una atmósfera oxidante. Las operaciones actuales de las plantas con un fuerte límite regulatorio de NOx tienden a llevar a los operadores a operar con bajos niveles de exceso de oxígeno. Esta práctica, combinada con desequilibrios de combustible y aire, puede dar como resultado condiciones en las que los conductos de gases de combustión pueden tener cero oxígeno libre y, por lo tanto, técnicamente operan en una atmósfera reductora.

Entonces, ¿cómo se puede crear una atmósfera reductora o una combustión secundaria a la salida del horno? Estas son seis de las causas más comunes de escoria e incrustaciones en calderas según nuestra experiencia:

■ Bajo exceso de oxígeno en el horno

■ Estratificaciones extremas de los carriles de gases de combustión FEGT

■ Altos flujos de aire primario

■ Daños en el quemador y condiciones/tolerancias mecánicas deficientes

■ Mal rendimiento del pulverizador de carbón

■ Propiedades y química del combustible inconsistentes

La causa número uno de la escoria del horno es el bajo contenido de oxígeno en el horno. La mayoría de las calderas están diseñadas para utilizar entre un 115% y un 120% de aire de combustión teórico. Esto generalmente se expresa como entre un 15% y un 20% de exceso de aire. Para los hornos de carbón, los niveles de oxígeno serían del 3% al 3,8%. Observe la ubicación de los analizadores de oxígeno en la salida del economizador en la Figura 2. Esta ubicación a menudo está sujeta a lecturas de niveles de oxígeno más altos que el contenido de oxígeno real del horno, debido a una fuga de aire entre el horno y la entrada de gases de combustión del calentador de aire.

Es extremadamente importante prestar la atención necesaria para optimizar las “entradas” de la correa del quemador del horno, porque la combustión debe completarse dentro de la cavidad del horno. Es de absoluta importancia proporcionar suficiente flujo de aire de combustión al combustible antes de que los productos de la combustión salgan del horno. Una de las causas más comunes de escoria e incrustaciones es la combustión secundaria en el horno superior. La causa más común de combustión secundaria es un exceso de oxígeno insuficiente dentro de la correa del quemador.

¿Por qué es esto tan común? Hay dos razones. En primer lugar, la mayoría de las calderas estadounidenses tienen cierta antigüedad y la configuración de la caldera ha permitido que las fugas de aire aumenten con el paso de los años. Debido a que los analizadores de oxígeno generalmente están ubicados en la salida del economizador, el exceso de oxígeno que se mide en la salida del economizador incluye cualquier aire ambiente que se haya filtrado a la configuración de la caldera después de que se debería haber completado la combustión. Esta falta de exceso de oxígeno libre en el horno hace que la combustión activa se alargue y continúe activamente hacia la sección del sobrecalentador. La temperatura de los gases de combustión, debido a dicha combustión secundaria, puede estar, y se ha medido, muy por encima de los 1000 °F por encima del óptimo.

El segundo factor es que cuando la ceniza de carbón tiene un contenido de hierro superior al 10% aproximadamente, la temperatura de fusión de la ceniza es menor en una atmósfera reductora. En otras palabras, la combustión secundaria no sólo eleva el FEGT, sino que además, si la ceniza de carbón contiene cantidades significativas de hierro, la temperatura de fusión puede ser drásticamente menor como resultado de la química de la ceniza. Es decir, la ceniza se fundirá a una temperatura mucho más baja en una atmósfera reductora que la temperatura de fusión en una atmósfera oxidante. Como se señaló anteriormente, la temperatura de fusión de las cenizas se puede reducir hasta en 500 °F.

Estos dos factores combinados son particularmente graves para las plantas del este de Estados Unidos que queman combustibles bituminosos. El contenido de hierro en las cenizas no ha sido un factor importante en los combustibles de la cuenca del río Powder, pero la combustión secundaria afecta a todas las calderas y a todos los combustibles.

El tiempo de residencia limitado de las grandes calderas de servicios públicos exige que se optimicen las entradas de combustible y aire del horno (Figura 3). Si no se controlan adecuadamente, las inconsistencias entre combustible y aire pueden contribuir a problemas de escoria e incrustaciones debido a la combustión secundaria y los FEGT elevados. Optimizar las entradas de combustible y aire al horno y asegurarse de que la salida del horno sea una atmósfera oxidante son los primeros pasos para reducir la escoria del horno.

La optimización del consumo de combustible incluye garantizar que:

■ La finura del carbón cumple con las siguientes pautas: al menos el 75 % pasa por un tamiz de malla 200 y menos del 0,2 % permanece en un tamiz de malla 50 con muestras de finura de carbón representativas y eliminadas isocinéticamente.

■ La distribución del carbón a cada quemador debe estar equilibrada en más o menos un 10%.

La optimización del aire de combustión incluye garantizar que:

■ Las cantidades del flujo de aire primario se optimizan y las relaciones aire/combustible son repetibles.

■ El flujo de aire secundario medido y controlado se distribuye uniformemente a los quemadores individuales.

■ Se optimiza el flujo de aire de sobrefuego medido y controlado.

El FEGT y el exceso de oxígeno se pueden medir con una sonda de termopar de alta velocidad (HVT) refrigerada por agua. Las mediciones mediante la sonda HVT deben tener un mínimo de 3 % de exceso de oxígeno con temperaturas máximas de aproximadamente 100 °F a 150 °F por debajo de la temperatura de fusión de las cenizas. Es cuando el FEGT se acerca a la temperatura de fusión de las cenizas que se produce la escoria.

A menudo, los datos más útiles que se obtienen al utilizar una sonda HVT enfriada por agua son la salida del horno, los niveles de exceso de oxígeno y los perfiles. Todos los puntos en el horno superior deben ser oxidantes y preferiblemente con un exceso de oxígeno superior al 3%.

La palabra "escoria" se usa generalmente para describir la escoria en el horno, mientras que el ensuciamiento se usa generalmente para describir cenizas o cenizas que se han trasladado al paso de convección y han creado obstrucciones del flujo debido a la deposición. Como se analizó anteriormente, el ensuciamiento del paso de convección, del SCR y del calentador de aire es el resultado de acumulaciones de cenizas en los bordes delanteros de los tubos del sobrecalentador y del recalentador que se eliminan mediante una operación prolongada del soplador de hollín retráctil.

Minimizar la escoria y las incrustaciones comienza optimizando el rendimiento de combustión de la correa del quemador. Esto es necesario porque sólo hay aproximadamente 1 o 2 segundos de tiempo de residencia entre la parte superior de la cinta del quemador y la entrada de gases de combustión del sobrecalentador. A la salida del horno, el espacio entre los tubos del sobrecalentador y del recalentador se vuelve cada vez más estrecho, lo que resulta en carriles de flujo de gas más estrechos.

El FEGT típico es de aproximadamente 2150 F a 2250 F, asumiendo que los requisitos previos para una combustión óptima de la correa del quemador están presentes para las entradas. En el sobrecalentador que se muestra en la Figura 4, las temperaturas máximas de los gases de combustión del horno estaban muy por encima de la temperatura de fusión del acero inoxidable Alloy 310 (aproximadamente 2780 °F). Las temperaturas máximas de combustión secundaria activa fueron realmente alrededor de 1,000 °F por encima del FEGT con entradas optimizadas de la correa del quemador. Cuando se optimizó, el FEGT era uniforme entre 1950 F y 2100 F en todo el ancho de la caldera. Antes de la optimización, había temperaturas de 2850 °F a 3100 °F. Estos extremos han sido documentados en numerosos casos.

La causa de la alta temperatura en este caso fue triple. En primer lugar, las velocidades del aire primario eran altas, lo que hacía que el combustible penetrara profundamente en el horno, lejos del aire secundario proporcionado por los quemadores. En segundo lugar, la cinta del quemador sufrió falta de aire de combustión debido a que el flujo de aire de sobrefuego era demasiado alto y excedía el 20% del flujo de aire total, con solo alrededor del 115% del flujo de aire teórico total a la caldera. En otras palabras, el cinturón de quemadores estaba profundamente escalonado a niveles de exceso de oxígeno subestequiométricos. En tercer lugar, no se optimizó la finura y distribución del combustible. Las temperaturas de los gases de combustión superaban los 3000 °F en la entrada del lado de gas del sobrecalentador. A esta temperatura, la condición de las cenizas era fluida y solo se necesitaron un par de turnos para escoriar completamente la salida del horno.

Es común encontrar entre un 0,5% y un 1% de aumento de oxígeno desde el horno hasta los gases de combustión de entrada del calentador de aire. ¿Por qué? Bueno, por una razón, la caldera promedio de carbón pulverizado de 500 MW tiene más de 30 años. Por lo tanto, el potencial de infiltración de aire aumenta debido únicamente a la edad, incluso cuando se practican reparaciones de mantenimiento diligentes y exhaustivas. El único exceso de oxígeno que importa desde el punto de vista de la escoria y el ensuciamiento es el exceso de oxígeno presente en la salida del horno. Tenga en cuenta que el tiempo de residencia disponible desde la parte superior hasta la cinta del quemador puede ser inferior a 1,5 segundos.

Un flujo de aire primario elevado, especialmente en calderas de pared, contribuye a un equilibrio deficiente del combustible, una finura deficiente del combustible y una longitud de llama más larga. El aire primario es básicamente aire de transporte y proporciona entre el 15% y el 25% del aire total para combustión. Por lo tanto, cuando el flujo de aire primario es muy alto, las partículas de combustible “superan” al aire secundario y provocan llamas que duran más de lo óptimo (Figura 5).

Un alto flujo de aire primario en casi cualquier quemador moderno de bajo NOx impulsará el combustible hacia el interior del horno, superando así el flujo de aire secundario. Como consecuencia, se pueden formar zonas ricas en combustible en el horno superior, lo que da como resultado una combustión secundaria, temperaturas elevadas y zonas de atmósfera reductora localizada, todo lo cual contribuye a la escoria y la contaminación.

Uno de los 13 elementos esenciales de una combustión óptima es la tolerancia del quemador a más o menos un cuarto de pulgada. Las fotografías que se muestran en la Figura 6 ofrecen algunos ejemplos de quemadores encontrados típicos.

La mayor parte del daño a los quemadores se debe al sobrecalentamiento de los quemadores inactivos debido al calor radiante del horno. Una forma de controlar el sobrecalentamiento del quemador es conectar termopares a las boquillas del quemador y proporcionar aire de enfriamiento a través de las boquillas del quemador para mantenerlo por debajo de 800 °F cuando esté fuera de servicio. (El enfriamiento del quemador es un tema para otro día).

La causa más frecuente de desequilibrios extremos de combustible a la salida del horno es el rendimiento del pulverizador de carbón. La mala pureza del combustible casi siempre contribuye a un equilibrio deficiente del combustible. En el mejor de los casos, el equilibrio del combustible pulverizado estará en el rango de más o menos 5% a 15% de desviación.

Cuando los clasificadores no están configurados para obtener la mejor finura (generalmente para sustituir un mayor rendimiento del pulverizador de carbón por una finura reducida), la finura puede deteriorarse a menos del 70 % pasando la malla 200. Junto con la finura reducida, habrá un equilibrio de combustible menos uniforme. La mala finura del combustible casi siempre da como resultado una mala distribución del combustible. No es raro encontrar desviaciones de combustible de más o menos un 25% cuando los pulverizadores no están optimizados.

Los pulverizadores de carbón son el corazón de una caldera alimentada con carbón pulverizado. Alrededor del 75% de las oportunidades de mejoras en la puesta a punto se encuentran en los molinos de carbón, el flujo de aire primario y el equilibrio de la línea de combustible. La Figura 7 muestra los puntos importantes para lograr una combustión óptima con un mínimo de escoria y suciedad.

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—Richard F. (Dick) Storm, PE es consultor senior de Storm Technologies Inc. y colaborador de POWER desde hace mucho tiempo. El personal de Storm Technologies contribuyó a este artículo.

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