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En un artículo anterior, se analizaron las tecnologías de incineración.
Ahora, vemos el aspecto de las calderas, el hogar y el circuito de vapor.
Rocío Sarmiento Torres*
(segunda parte)
La caldera, independientemente del hogar, no presenta ninguna particularidad específica si el combustible utilizado son residuos sólidos urbanos (RSU), ya que consiste básicamente en un intercambiador de calor gas-líquido. En donde se presentan variaciones significantes es en el recinto en donde se produce la combustión, es decir, el hogar.
Los gases de combustión dejan el incinerador a una temperatura aproximada de 1,000 a 2,000°C; los cuales se hacen pasar por una caldera, donde se recupera su energía calorífica para calentamiento de agua o vapor.
El tipo de caldera depende de las posibilidades de uso final de la energía (agua caliente o vapor), existiendo tres grandes categorías:
1) De agua caliente.- Son simples y sólo producen agua caliente de 110°C-160°C (aunque pueden alcanzar mayores temperaturas de acuerdo con la presión de operación). Se utiliza sólo si no es posible la recuperación del calor y su único propósito es el enfriamiento de los gases de combustión, previamente a su paso por los lavadores para control de contaminantes.
2) De baja presión.- Produce sólo vapor a baja presión. Dependiendo de la presión de operación y grado de sobrecalentamiento, se puede tener vapor de aproximadamente 120°C-250 °C
3) De vapor.- Produce vapor de alta presión para generar energía eléctrica, pudiéndose combinar energía eléctrica con vapor o calentamiento. Requieren mayor atención en su operación y mayor espacio.
En todos los casos debe tomarse en cuenta la corrosividad de los gases de combustión.
Puede ser más importante la recuperación de energía de la caldera, que tan sólo calentar agua o tener una caldera de baja presión. Sin embargo, debe haber una relación entre la recuperación elevada y la confiabilidad de la caldera, debido a la naturaleza altamente corrosiva de los gases de combustión.
Si la caldera es para producción de vapor sobrecalentado, incluirá: cámara radiante, pantalla, sobrecalentador, banco de convección y economizador. Tiene como única limitación con relación a una caldera para combustibles fósiles, el ensuciamiento y escoriación de la superficie de los tubos, condición que no hace posible la generación de vapor a temperaturas superiores a 400 °C.
Deben diseñarse ex profeso, para operar con un horno de RSU para evitar problemas operacionales serios, tales como: erosión, corrosión, incrustaciones, periodos de operación continuos cortos, insuficiente disponibilidad de vapor, reparación y mantenimiento excesivos.
Las plantas alimentadas con RSU no pueden ser diseñadas con parámetros de vapor similares a los de las plantas tradicionales de generación de energía eléctrica que queman carbón, gas o combustibles líquidos; debido a que los residuos difieren de los combustibles fósiles, particularmente por su contenido de cloro que, combinado con el azufre, puede llevar a corrosión por temperatura elevada y aun a temperaturas relativamente bajas. Algunos procesos de combustión pueden además tener el riesgo de corrosión con monóxido de carbono (CO).
La naturaleza corrosiva de los gases de combustión de la incineración de RSU generalmente limita la temperatura del vapor a un máximo de 400 °C y a una presión de aproximadamente 41 Kg/cm2.
La temperatura del agua que regresa a la caldera (agua de alimentación) se mantiene en un mínimo de 125°C-130 °C, para limitar el riesgo de corrosión a baja temperatura en la parte más fría de la caldera.
CIRCUITO DE VAPOR
La recuperación de energía de una caldera que produce vapor se conoce convencionalmente como “Proceso de Ranking”. Este permite la producción de energía en forma de: energía eléctrica, vapor y combinaciones de energía eléctrica, vapor y agua caliente (ver figura).
Figura 4. Proceso de Ranking
La energía del vapor puede convertirse a energía eléctrica mediante un arreglo de turbina y generador. El vapor sobrecalentado y altamente presurizado de la caldera se expande en la turbina de vapor, que transforma la energía calorífica del vapor a energía cinética, para posteriormente transformarse en eléctrica por el generador.
El exceso de calor del vapor a baja presión se convierte en agua caliente dentro de un condensador y se pasa ya sea a una red para calentamiento o simplemente se recircula a la caldera.
Cuando se produce tan sólo energía eléctrica (es decir, no hay demanda de agua caliente), se usa una turbina con condensación completa. El exceso de calor produce tan baja temperatura en este condensador que no es atractiva su recuperación.
RECIRCULACIÓN DE GASES DE COMBUSTIÓN
Después de que pasan los gases de combustión por el colector de polvos, una parte (de 20 a 30%) se envía por un ducto aislado al horno; inyectándolo mediante toberas separadas a la zona de turbulencia, a la entrada de la cámara de combustión secundaria, lo que tiene las siguientes ventajas operacionales, económicas y ambientales:
l Obtención de una eficiencia térmica superior (de 1 a 3 % mayor), debido a que puede reducirse el exceso de aire y el contenido de oxígeno.
l Reduce los óxidos de nitrógeno, NOx (entre 20 y 40 %).
l Reduce la generación de dioxinas (por el menor exceso de aire y del contenido de oxígeno).
l Estabiliza o mejora el flujo de las condiciones de turbulencia, particularmente a carga parcial.
l Minimiza el riesgo de explosión en la cámara de combustión secundaria (primer paso de la caldera).
l Disminuye la cantidad de gases de combustión que entran al sistema de lavado.
Todas las conexiones de ductos deben ser soldadas y usarse un mínimo de conexiones flexibles, para evitar fugas y, por lo tanto, corrosión.
*Es ingeniera química del Instituto Politécnico Nacional con maestría en Control de Contaminación Ambiental de la Universidad de Leeds, Inglaterra. Es investigadora del Programa de Energía de la Universidad Autónoma de la Ciudad de México (sarmientomr@yahoo.com.mx )
