Control de la combustión en hornos de gas natural: relación aire-combustible, exceso de aire y análisis de la combustión.
El control de la combustión es el aspecto más descuidado en el funcionamiento de las calderas de gas. La mayoría de estas calderas funcionan con un exceso de aire, lo que provoca un desperdicio de combustible y una menor eficiencia. Un quemador bien ajustado con la relación aire-combustible correcta ofrece un ahorro de combustible del 5 al 15 % y una reducción de las emisiones de CO del 20 al 50 %. El ajuste es sencillo, pero requiere atención al detalle y una verificación periódica. Este es el marco que utilizo para evaluar el funcionamiento de una caldera de gas.
Conceptos básicos de química de la combustión
El gas natural se compone principalmente de metano (CH4) con cantidades menores de etano, propano y gases inertes. La reacción de combustión completa con oxígeno puro es:
CH4 + 2 O2 -> CO2 + 2 H2O
En la práctica, el aire de combustión es una mezcla de oxígeno (21 %) y nitrógeno (79 %). La relación estequiométrica aire-combustible para el gas natural es de 9,5 a 10,5 metros cúbicos de aire por metro cúbico de gas, según la composición del gas. La relación aire-combustible real en un horno siempre es superior a la estequiométrica, ya que se necesita un exceso de aire para asegurar una combustión completa.
El exceso de aire es el aire suministrado más allá de la cantidad estequiométrica requerida. Se expresa como un porcentaje del aire estequiométrico. Por ejemplo, un 10 % de exceso de aire significa que la relación aire-combustible real es 1,10 veces la relación estequiométrica.
¿Por qué importa el exceso de aire?
Se necesita un cierto exceso de aire para asegurar una combustión completa. Con poco aire, la combustión es incompleta y los gases de escape contienen monóxido de carbono (CO) e hidrocarburos no quemados. El CO y los hidrocarburos no quemados representan una pérdida de combustible y un problema normativo.
Con un exceso de aire, este absorbe el calor de la llama y lo expulsa por el escape. La temperatura de los gases de escape aumenta y la eficiencia del combustible disminuye. El exceso de aire óptimo es el valor mínimo que permite una combustión completa con bajas emisiones de CO.
Para quemadores de gas natural, el exceso de aire óptimo es del 5 al 10 por ciento para quemadores de alta velocidad y del 10 al 20 por ciento para quemadores atmosféricos de baja velocidad. Las emisiones de CO deben ser inferiores a 50 ppm (corregidas al 3 por ciento de O2) en las condiciones óptimas.
Cómo afecta el exceso de aire a la eficiencia
La relación entre el exceso de aire y la eficiencia es significativa. Pasar de un 20 % a un 10 % de exceso de aire mejora la eficiencia del combustible entre un 3 % y un 5 %. Pasar del 10 % al 5 % mejora la eficiencia entre un 1 % y un 2 % adicional. Por debajo del 5 % de exceso de aire, las emisiones de CO aumentan rápidamente y el riesgo de combustión incompleta se convierte en un problema de seguridad y calidad.
En una caldera de gas de 5 MW que funciona 6000 horas al año, una mejora del 5 % en la eficiencia supone un ahorro de 250 kW de combustible, lo que equivale a 1,5 millones de kWh de gas natural al año. A 0,40 USD por metro cúbico, esto representa un ahorro de entre 150 000 y 200 000 USD anuales en costes de combustible.
Procedimiento de análisis de combustión
El análisis de combustión se realiza con un analizador portátil de gases de combustión. El analizador mide el O2, CO, CO2, NO, NO2 y la temperatura en los gases de escape. El análisis dura entre 30 y 60 minutos por quemador, y el procedimiento es el siguiente:
Encienda el horno y déjelo alcanzar la temperatura de funcionamiento.
2. Introduzca la sonda en la corriente de gases de escape cerca del quemador.
3. Registre la composición de los gases de combustión a la velocidad de combustión actual.
4. Ajuste la relación aire-combustible para que el O2 alcance el valor objetivo.
5. Verifique que el CO esté por debajo del límite (normalmente 50 ppm corregido al 3 por ciento de O2).
6. Repita el procedimiento para cada cadencia de disparo dentro del rango de operación.
El valor objetivo de O2 para un quemador recuperativo de alta velocidad es de 3 a 5 por ciento (equivalente a un exceso de aire de 15 a 25 por ciento). Para un quemador de bajas emisiones de NOx con FGR, el valor objetivo de O2 es de 5 a 8 por ciento. El CO debe ser inferior a 50 ppm con el valor objetivo de O2.
Si el CO supera las 50 ppm con el O2 objetivo, el quemador necesita mantenimiento. Las causas más comunes de un alto nivel de CO son: desgaste de los orificios del quemador (sustituir el quemador), suciedad en los orificios del quemador (limpiar el quemador) y una relación aire-combustible incorrecta (recalibrar el controlador de relación).
Problemas comunes de combustión
Problema 1: El exceso de aire es demasiado alto. El síntoma es una alta concentración de O2 en los gases de escape (superior al 5 % en un quemador de alta velocidad), una temperatura elevada en los gases de escape y una baja eficiencia de combustible. La causa suele ser una relación aire-combustible desajustada, una compuerta de aire con fugas o un quemador desalineado. La solución consiste en reajustar la relación, reparar la compuerta o realinear el quemador.
Problema 2: El nivel de CO es demasiado alto. El síntoma es una concentración de CO superior a 50 ppm en los gases de escape, humo en los mismos y, posiblemente, hollín en la carga útil. La causa suele ser una baja relación aire-combustible (poco aire), un quemador desgastado o una entrada de aire obstruida. La solución consiste en aumentar el flujo de aire, reemplazar el quemador o limpiar la entrada de aire.
Problema 3: Niveles de NOx demasiado altos. El síntoma es una concentración de NO superior a 100 ppm en los gases de escape. La causa suele ser una alta tasa de combustión con una válvula de retención de combustible (FGR) insuficiente, un quemador desalineado o un exceso de aire excesivo. La solución consiste en instalar o ajustar la FGR, realinear el quemador o reducir el exceso de aire.
Problema 4: Combustión irregular. El síntoma es una temperatura fluctuante en el horno, fluctuaciones en el O2 en los gases de escape y un calentamiento desigual. La causa suele ser un controlador de relación desgastado, una compuerta de aire con fugas o una presión de gas fluctuante. La solución consiste en reemplazar el controlador, reparar la compuerta o instalar un regulador de presión de gas.
Sistemas de control de la relación aire-combustible
Los sistemas de control de las calderas de gas modernas utilizan un controlador de relación de limitación cruzada para mantener la relación aire-combustible en el valor óptimo en todo el rango de funcionamiento. El diseño de limitación cruzada interconecta las válvulas de aire y gas, de modo que el aire siempre va ligeramente por delante del gas (o ligeramente por detrás, según el tipo de quemador). Esto evita que el quemador funcione con una mezcla pobre al aumentar la potencia o rica al disminuirla.
El controlador de relación utiliza un medidor de flujo de combustible (o una señal de presión de gas) y un medidor de flujo de aire para calcular la relación aire-combustible real. La relación calculada se compara con el valor objetivo, y la compuerta de aire se modula para mantener dicho valor. El controlador también recibe una señal de ajuste del analizador de O2, que corrige la deriva a largo plazo de la relación aire-combustible.
Un controlador de relación aire-combustible bien ajustado mantiene la relación aire-combustible dentro del 2 % del valor objetivo en todo el rango de disparo. Un controlador mal ajustado puede desviarse entre un 10 y un 20 %, con las consiguientes pérdidas de eficiencia y emisiones.
Puesta a punto anual del sistema de combustión
MONTE INTELLIGENCE recomienda una puesta a punto anual de la combustión en todas las instalaciones de hornos de gas. Esta puesta a punto la realiza un técnico especializado e incluye: análisis de la combustión en cada quemador a tres velocidades (baja, media y alta), calibración del controlador de relación, inspección del encendedor y la varilla de llama, e inspección de la compuerta de aire y la válvula de gas. La puesta a punto dura de 1 a 2 días por horno, y el ahorro energético típico es de entre el 3 y el 8 por ciento en los siguientes 12 meses de funcionamiento.
El costo de la puesta a punto se recupera en 1 a 3 meses gracias a la reducción en el consumo de combustible. Además, la puesta a punto permite identificar problemas en el quemador y los controles que, de no corregirse, podrían ocasionar paradas no programadas.
Hable con MONTE INTELLIGENCE sobre la optimización de la combustión.
Para los compradores interesados en una puesta a punto de la combustión de una caldera de gas existente, el departamento de ingeniería de MONTE INTELLIGENCE puede programar una visita de servicio y proporcionar un informe escrito con los resultados de las pruebas y los ajustes recomendados. Visitewww.cnlymonte.com/products-gas-furnace.html Para obtener las especificaciones del producto, envíe un correo electrónico a helenxu@cnlymonte.com con el asunto "Ajuste de combustión" e incluya detalles sobre el tipo de caldera, el modelo del quemador y el costo actual del combustible.
