Optimización de la Combustión: Tipos de Quemadores y Control de Emisiones

Quemadores

Factores que Influyen en la Combustión

Diversos factores influyen en el grado de completitud de la reacción de combustión y en el contacto entre las moléculas de los reactivos: la temperatura, las concentraciones de combustible y comburente, la forma del combustible, la distribución de los elementos reaccionantes y el tiempo disponible para la combustión.

La temperatura incrementa la velocidad molecular y el contacto entre moléculas. Cuanto más fino sea el carbón, mayor será la superficie de contacto con el aire. Al final de la llama, cuando la reacción está a punto de concluir, la concentración y la distribución cobran mayor importancia.

Los factores más importantes de un quemador son la preparación de los reactivos y el logro de una alta turbulencia. La agitación produce turbulencia, aumentando los encuentros moleculares entre combustible y comburente.

La temperatura necesaria para una buena combustión se logra por la radiación de la llama sobre la mezcla de entrada.

La concentración de reactivos ideal se logra manteniendo el exceso de aire óptimo. Es crucial conseguir la turbulencia necesaria para una buena combustión.

Formas de Conseguir Turbulencia:

• Quemadores Tangenciales y Horizontales Modernos (Baja Formación de Óxido de Nitrógeno): Dividir y distribuir el combustible y el aire en multitud de filetes paralelos. La interferencia entre filetes aumenta gradualmente, logrando llamas de varias capas. Al principio, la combustión es lenta, permitiendo mayor tiempo para completarse y una temperatura de llama menor.
• Quemadores Clásicos: Provocar la interacción entre el aire y el combustible desde su entrada a la cámara de combustión, produciendo llamas de una sola capa. La mezcla total y la velocidad de reacción son mayores, al igual que la temperatura de la llama.
• Quemadores Verticales: Utilizados para altas temperaturas, combinan características de los dos tipos anteriores.

Quemadores Horizontales

En los clásicos, el combustible se mezcla con el aire de combustión a la salida del quemador. Se provoca un movimiento de rotación a la mezcla de carbón y aire primario. El aire secundario se inyecta alrededor del tubo de inyección del primario y carbón a través de paletas regulables.

Los dos flujos acoplados producen una fuerte turbulencia dentro de la cámara de combustión. La radiación de la llama proporciona la energía necesaria para alcanzar la temperatura de inicio de la combustión. Estos quemadores se colocan en fila, en varios niveles.

Casi toda la combustión debe ocurrir dentro de la zona de turbulencia, por lo que la relación aire/combustible debe mantenerse en límites adecuados. Hay múltiples llamas por cada quemador.

La formación de NOx se favorece con condiciones oxidantes al inicio de la combustión y con altas temperaturas de llama.

Para minimizar el NOx, los componentes del nitrógeno deben alcanzar la fase gaseosa en una zona reductora de la llama.

Para lograr una atmósfera reductora, el aire secundario se incorpora en etapas sucesivas, completándose al final de la llama. Esto alarga la llama y reduce la temperatura máxima.

El alargamiento de la llama permite introducir aire secundario por encima del último nivel de quemadores, manteniendo condiciones reductoras para una menor formación de NOx.

Quemadores Tangenciales

Estos quemadores pueden inclinarse verticalmente. Se puede suponer una sola llama en la cámara de combustión. El combustible y el aire se inyectan desde las cuatro esquinas, tangencialmente a un círculo horizontal en el centro del hogar.

La mezcla y turbulencia son bajas en comparación con otros quemadores horizontales, lo cual es importante para la producción de NOx. Al interferir en el centro del hogar, se crea una alta turbulencia.

Los quemadores se sitúan en las esquinas del hogar, en varios niveles.

Al variar la proporción de aire de un quemador, se varía la velocidad de inyección y la distancia del comienzo de la llama a la boca del quemador.

Reducción de NOx:

• Diseño: Niveles adicionales por encima de los quemadores de carbón inyectan aire secundario (20% del total).
• Operación: Reducir la entrada de aire secundario e introducir el necesario por las boquillas adyacentes a los quemadores.

Quemadores Verticales

Se utilizan para carbones de difícil ignición (bituminosos de bajos volátiles y antracitas).

Dispuestos sobre una bóveda, inyectan la mezcla verticalmente hacia abajo, creando una llama descendente y luego ascendente, lo que aumenta el tiempo de combustión.

La longitud de la llama proporciona tiempos de residencia altos para la combustión completa de partículas gruesas.

Suele haber una fila de quemadores por bóveda, aunque en generadores de vapor grandes puede haber dos filas.

El uso de estos quemadores se reduce debido al tamaño de las calderas y a las restricciones medioambientales de NOx.