Causas típicas de problemas de escoriación y ensuciamiento en calderas

La formación de escoria y el ensuciamiento de la caldera, y la operación frecuente resultante de los sopladores de hollín, son algunos de los principales factores de operación y mantenimiento que pueden afectar negativamente la confiabilidad y eficiencia de la planta de energía.

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

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

La escoria es ceniza fundida y subproductos incombustibles que quedan después de la combustión del carbón. Cuando el material se enfría a cierta 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 la 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 bituminoso se determina utilizando el estándar D1857 de la Sociedad Estadounidense para 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 anota en cuatro puntos a medida que se deforma el cono de ceniza.

La temperatura del primer punto, cuando el punto del cono de ceniza se vuelve romo, 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 denomina "temperatura de ablandamiento". El calentamiento continúa, lo que hace que el cono de ceniza se hunda aún más hasta que H = 1/2 W. Esta temperatura se denomina "temperatura hemisférica". Finalmente, cuando el cono de ceniza se convierte en 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, hemisférica y fluida.

El propósito de la prueba de laboratorio es determinar la condición aproximada de la ceniza cuando se encuentra en varias partes de un horno de caldera. Para la escoria y el ensuciamiento, la cuestión más importante es que los gases del horno o "productos de la combustión" salgan del horno a una temperatura tal que la ceniza no sea demasiado pegajosa. Una buena aproximación es tener los gases de salida del horno aproximadamente 100F a 150F 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 recalentador, pero no es recomendable por razones de corrosión de cenizas de carbón y la necesidad de soplado de hollín retráctil largo casi continuo para mitigar los depósitos de ceniza.

La "incrustación" normalmente se refiere a los depósitos que se producen en el paso de convección después de que los gases salen del horno. El ensuciamiento generalmente se atribuye a cenizas y acumulaciones de cenizas que se forman en los bordes delanteros de los tubos del sobrecalentador y del recalentador (Figura 1), especialmente en las patas de salida, que tienen una temperatura de superficie metálica superior a 1,000F. Los depósitos son desalojados por soplado de hollín.

Cuando los sopladores de hollín retráctiles largos se utilizan 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 canastas del calentador de aire y formar un puente a través de la tubería de la caldera. en el paso de convección. Por lo general, las áreas de la caldera que se designan como susceptibles a la formación de escoria son desde la correa del quemador hasta la salida del horno.

El calor fluye de más caliente a más frío y, por lo tanto, para producir salidas de vapor sobrecalentado y vapor recalentado de 1000 °F a 1100 °F, la temperatura del gas de salida del horno (FEGT) debe estar por encima de aproximadamente 1500 °F en la entrada de gas del recalentador para impulsar el flujo de calor hacia la recalentador y sobrecalentador para crear las temperaturas de vapor deseadas. En consecuencia, el punto óptimo para la 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 2,150F se vuelve difícil lograr las temperaturas de vapor de diseño. Por encima de 2,250F en base a gas a granel, se acerca a la temperatura de fusión de la ceniza en algunos combustibles.

Los combustibles con temperaturas de fusión de cenizas extremadamente altas se consideran "amigables con la caldera" 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 cenizas en el horno y a 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 2410F. Entonces, si hay carriles de productos de combustión que son ricos en combustible y todavía se están quemando activamente, entonces esto es de hecho una "atmósfera reductora" para el carril particular de productos de combustión ricos en combustible. En la práctica, esto podría resultar de un quemador que es pesado en combustible y pobre en aire. Los productos de la combustión de ese quemador pueden, de hecho, acumular escoria en la salida del horno.

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

Entonces, ¿cómo se puede crear una atmósfera reductora o combustión secundaria a la salida del horno? Estas son seis de las causas más comunes de escoria y ensuciamiento de 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

■ Daño en el quemador y condiciones/tolerancias mecánicas deficientes

■ Rendimiento deficiente del pulverizador de carbón

■ Propiedades y química del combustible inconsistentes

La causa número 1 de la escoria del horno es el bajo contenido de oxígeno del horno. La mayoría de las calderas están diseñadas para un 115 % a un 120 % de aire de combustión teórico. Esto generalmente se expresa como 15% a 20% de exceso de aire. Para los hornos de carbón, los niveles de oxígeno serían del 3% al 3,8%. Tenga en cuenta 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 real de oxígeno del horno, debido a la fuga de aire entre el horno y la entrada de gases de combustión del calentador de aire.

Es extremadamente importante aplicar 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 formación de escoria y ensuciamiento es la combustión secundaria en el horno superior. La causa más común de la 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 de EE. UU. tienen algo de 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 se ubican en la salida del economizador, el exceso de oxígeno que se mide en la salida del economizador incluye cualquier aire ambiental que se haya filtrado en la configuración de la caldera después de que la combustión debería haberse completado. Esta falta de exceso de oxígeno libre en el horno hace que la combustión activa se alargue y continúe activamente en la sección del sobrecalentador. La temperatura de los gases de combustión, debido a dicha combustión secundaria, puede y se ha medido en más de 1000 F por encima del nivel óptimo.

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

Estos dos factores combinados son particularmente serios para las plantas del este de los EE. UU. que queman combustibles bituminosos. El contenido de hierro en la ceniza no ha sido un factor importante con los combustibles de la cuenca del río Powder, pero la combustión secundaria afecta a todas las calderas y 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 de aire/combustible pueden contribuir a problemas de escoria y ensuciamiento debido a la combustión secundaria y 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 de la entrada de combustible incluye garantizar que:

■ La finura del carbón cumple con las siguientes pautas: Al menos el 75 % pasa una pantalla de malla 200 y menos del 0,2 % permanece en una pantalla de malla 50 con muestras de finura de carbón representativas y removidas isocinéticamente.

■ La distribución de carbón a cada quemador debe estar balanceada más o menos 10%.

La optimización del aire de combustión incluye garantizar que:

■ Las cantidades de flujo de aire primario están optimizadas y las proporciones de 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.

FEGT y el exceso de oxígeno se pueden medir con una sonda de termopar de alta velocidad (HVT) enfriada por agua. Las mediciones con 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. Cuando la FEGT se acerca a la temperatura de fusión de las cenizas, se produce la formación de escoria.

A menudo, los datos más útiles obtenidos mediante el uso de una sonda HVT enfriada por agua son la salida del horno, los niveles de exceso de oxígeno y los perfiles. Todos los puntos del horno superior deben ser oxidantes y preferiblemente por encima del 3% de exceso de oxígeno.

La palabra "escoria" generalmente se usa para describir la escoria en el horno, mientras que el ensuciamiento generalmente se usa para describir las cenizas que se han arrastrado al paso de convección y han creado obstrucciones de flujo debido a la deposición. Como se discutió anteriormente, el ensuciamiento del paso de convección, el SCR y el calentador de aire son el resultado de la acumulación de cenizas en los bordes delanteros de la tubería del sobrecalentador y del recalentador que se elimina mediante la operación prolongada del soplador de hollín retráctil.

La minimización de la formación de escoria y el ensuciamiento comienza con la optimización del rendimiento de combustión de la cinta del quemador. Esto es necesario porque solo hay alrededor de 1 o 2 segundos de tiempo de residencia entre la parte superior de la correa del quemador y la entrada de gas de combustión del sobrecalentador. A la salida del horno, el espacio entre el sobrecalentador y el tubo del recalentador se vuelve cada vez más estrecho, lo que da como resultado que los carriles de flujo de gas se estrechen.

El FEGT típico es de alrededor de 2150F a 2250F, suponiendo 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 (alrededor de 2,780F). Las temperaturas máximas de la combustión secundaria activa fueron realmente alrededor de 1000 F por encima de la FEGT con entradas optimizadas de la correa del quemador. Cuando se optimizó, la FEGT fue uniforme de 1950 °F a 2100 °F en todo el ancho de la caldera. Antes de la optimización, estaban presentes temperaturas de 2,850F a 3,100F. 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 en los quemadores. En segundo lugar, la correa del quemador sufría 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 hacia la caldera. En otras palabras, la correa del quemador se escalonó profundamente a niveles de exceso de oxígeno subestequiométricos. En tercer lugar, no se optimizó la finura y la distribución del combustible. Las temperaturas de los gases de combustión estaban por encima de los 3000 F en la entrada del lado del 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 el gas 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 a 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.

El alto flujo de aire primario, especialmente en las calderas de pared, contribuye a un equilibrio deficiente del combustible, a una mala finura del combustible y a longitudes de llama más largas. El aire primario es básicamente aire de transporte y proporciona del 15% al ​​25% del aire total para la combustión. Por lo tanto, cuando el flujo de aire primario es muy alto, las partículas de combustible "superan" al aire secundario y dan como resultado llamas más largas de lo óptimo (Figura 5).

Un flujo de aire primario alto 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 el ensuciamiento.

Uno de los 13 elementos esenciales de la 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 típicos tal como se encuentran.

La mayor parte del daño a los quemadores resulta del 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 mantener una temperatura inferior a 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 finura del combustible casi siempre contribuye a un equilibrio deficiente del combustible. En el mejor de los casos, el balance de combustible pulverizado estará en el rango de más o menos 5% a 15% de desviación.

Cuando los clasificadores no están configurados para la mejor finura (generalmente para sustituir una mayor producción del pulverizador de carbón por una finura reducida), la finura puede deteriorarse a menos del 70 % al pasar la malla 200. Junto con la finura reducida, habrá un balance de combustible menos uniforme. La mala finura del combustible casi siempre da como resultado una mala distribución del combustible. No es inusual encontrar desviaciones de combustible de más o menos 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 mejora en el ajuste 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 ensuciamiento.

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—Richard F. (Dick) Storm, PE es consultor sénior 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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