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“La minería construye sueños” PERUMIN – 31 CONVENCIÓN MINERA

OPTIMIZACIÓN DEL DISEÑO Y FUNCIONAMIENTO DE MAQUINAS TÉRMICAS PARA OPERACIONES MINERAS EN ALTURA

Resumen

Las Empresas Mineras, generalmente ubicadas en

altura, pierden millones de dólares al año operando

en forma ineficiente diferentes máquinas térmicas

en sus operaciones de exploración, extracción,

producción y tratamientos metalúrgicos, bajo la

suposición de que no resulta posible alcanzar

rendimientos y niveles de eficiencia similares a los

que se consiguen en la costa y condiciones

atmosféricas normales.

Durante los últimos 20 años, a través de

investigación científica, desarrollo académico y

trabajo de planta, hemos logrado desarrollar la

tecnología adecuada para asegurar similares

condiciones de potencia, eficiencia y rendimiento

en cualquier de los equipos utilizados en las

operaciones mineras que desarrollan sus

actividades en altura.

En este trabajo sustentamos los fundamentos

termodinámicos, analizamos los criterios de

aplicación y mostramos las numerosas experiencia

de aplicación que proporcionan a la minería nuevas

posibilidades de optimización de costos, mayor

competitividad y mejores posibilidades de cumplir

las exigencias de control de emisiones al ambiente.

ENCUENTRO DE TECNOLOGÍA E INVESTIGACIÓN

Ing. Percy Castillo Neira

Experto Internacional en Combustión y Procesos

Industriales

Gerente de Combustión y Ecología S.A.C.

Director del Instituto Latinoamericano de la

Combustión

Miembro del Consejo Técnico Consultivo de la

Región Arequipa

Abstract

The mining companies, generally located in height,

lost millions of dollar a year in operating inefficiently

different thermal machines in operations of

exploration, extraction, production and metallurgical

treatments, under the assumption that it is not

possible to achieve the performance and efficiency

levels similar to those are achieved on the coast

and normal weather conditions.

During the last 20 years through scientific research,

academic and work plant, we have developed the

technology to ensure similar conditions of power,

efficiency and performance in any of the equipment

used in mining operations that are active in

activities in height

Is this work we sustain thermodynamic

fundamentals, we analyze the application criteria

and show the many application experience that

provide new possibilities, mining cost, optimization,

improved competitiveness and better possibilities to

reach the requirements of the environment control

emissions.

“La minería construye sueños”

En el desarrollo de la tecnología de la combustión del siglo XX se cometieron muchos errores, pero sin duda alguna el principal fue desconocer la importancia del aire. Al establecer la Teoría Inorgánica de la Combustión que la formación de llama y el control sobre el desarrollo de la combustión constituyen principalmente un problema de mecánica de fluidos, siendo el aire el flujo dominante para determinar las condiciones de mezcla y turbulencia que definen la calidad de la combustión, demuestra que el aire siempre resulta más importante que los combustibles en la combustión.

1.1 Caracterización del Aire Atmosférico como comburente La naturaleza no se ha limitado a almacenarnos energía química durante millones de años en los combustibles fósiles. También nos proporciona en la atmósfera, el oxígeno necesario para liberarla mediante la combustión. En forma similar a la que debe permitir el perfecto conocimiento del combustible empleado, el aire de combustión también debe ser caracterizado, tanto en los aspectos que definen su empleo como comburente, como para asegurar que sea aportado al quemador en las condiciones previstas en su diseño. Se llama comburente al aire o al oxígeno que participa en la oxidación de la materia combustible liberando luz y calor en el proceso llamado combustión. Debe asegurarse de que tanto el combustible empleado como el aire de combustión sean aportados al quemador en las condiciones previstas en su diseño. Para efectos prácticos resultará suficientemente correcto considerar la siguiente composición, a nivel del mar, en condiciones normales de presión (760 mm de Hg) y temperatura (0ºC):

Nitrógeno : 79% en volumen (77% en peso) Oxígeno : 21% en volumen

(23% en peso) En la mayor parte de los casos para las determinaciones técnicas de tipo teórico (volumen de los gases de combustión, temperatura máxima, temperatura de rocío, calor sensible de los humos), se comete poco error considerando aire seco en donde la proporción entre el nitrógeno y el oxígeno es de 79 a 21% en volumen, asimilando por tanto el Argón a Nitrógeno y estableciendo el aire como la mezcla molecular siguiente:

Equivalente a

y más habitualmente para :


Esta aproximación da algún error de cierta importancia cuando se pretende tener en cuenta muy estrictamente el contenido de nitrógeno de la materia mineral. Finalmente, para conseguir la combustión completa más próxima a la teórica y según el estado físico del combustible (granos, polvo, líquidos, gases y dispersiones) es preciso emplear una proporción de oxígeno superior a la teórica por razones físicas de contacto que después detallaremos. De aquí el llamado “exceso de aire sobre el teórico necesario”. Este exceso de aire conlleva especialmente dos efectos importantes en cuanto al propósito de la combustión: 1º Disminución de la temperatura máxima posible,

al aumentar la cantidad de gases en la combustión.

2º Variación sensible en cuanto a la concentración

de los óxidos formados, en el nitrógeno del aire empleado.

1.2 VARIACIÓN DE LA CALIDAD DEL AIRE

CON LA ALTURA Como ya se ha mencionado, el desarrollo de la tecnología de la combustión se ha preocupado más del combustible caro que del aire gratis, ignorando la importancia del aire como flujo termodinámico, aportante de oxígeno y energía cinética, pero además suponiendo que sus características resultan invaluables. Siendo una mezcla de gases, el aire estará sometido a las leyes de la física como flujo termodinámico, quedando definido en cuanto a sus características por la Presión (P), Volumen (V) y Temperatura (T) como sistema en equilibrio, y ocasionalmente por la Energía Interna, Entalpía y Entropía. Para fines prácticos el aire puede considerarse como un gas ideal, facilitando los cálculos des estados de equilibrio mediante la Ecuación de Estado.

Se denomina ecuación de estado a la relación que existe entre las variables p, V, y T. La ecuación de estado más sencilla es la de un gas ideal pV=nRT, donde n representa el número de moles, y R la constante de los gases R=0.082 atm·l/(K mol)=8.3143 J/(K mol). A diferentes alturas respecto al nivel del mar, resultará necesario considerar las variaciones de presión y temperatura que experimenta el aire y como influencian sus características como comburente. Tomando en cuenta la definición de presión de los gases, que se explica por el mayor o menor número de impactos moleculares sobre el recipiente que los contiene, podemos utilizar este concepto de actividad molecular para justificar el mayor volumen que ocupa la misma masa de aire a mayores niveles de altura, al liberarse parcialmente de la presión que soporta de la masa atmosférica. Siendo la masa de oxígeno la que participa directamente en las reacciones de combustión, al disminuir la presión del aire con la altura, se puede decir que disminuye proporcionalmente su calidad como comburente. En la Figura 1 se muestra la curva de variación de presión atmosférica con la altura.

Figura 1 Variación de la presión atmosférica con la

altura

“La minería construye sueños” Un metro cúbico de aire normal (1 atm y 0°C)

aporta como comburente 297 gramos de oxígeno; a la misma temperatura , en la medida que se incrermente la altura, y consecuentemente la presión, disminuirán sus contenidos de masa de oxígeno en la siguiente forma:

A 0 A 0 msnmmsnm : 1m: 1m3 3 ------>297 >297 grgr de 0de 022

A 1000 A 1000 msnmmsnm : 1m: 1m3 3 ------>241 >241 grgr de Ode O22





En la Figura 2 se muestra la corrección del volumen del aire con la altura a diferentes temperaturas.

Figura 2

Corrección del volumen del aire con la altura

Para establecer una comparación, analicemos el efecto de la temperatura sobre la calidad del aire como comburente, apreciando como varía el contenido de masa de oxígeno con el calentamiento:

A 0 A 0 ººCC : 1m: 1m3 3 ------>297 >297 grgr de 0de 022

A 100 A 100 ººCC : 1m: 1m3 3 ------>216 >216 grgr de Ode O22




A 1000 A 1000 ººCC : 1m: 1m3 3 ------> 67 > 67 grgr de Ode O22

1.3 PODER CALORÍFICO DEL AIRE

Aunque este concepto resulte algo extraño, precisamente por el tradicional desconocimiento de la importancia del aire en la combustión, resulta totalmente justificado y particularmente útil para evaluar y compensar su calidad como comburente. En la misma forma y con el mismo derecho que los combustibles, en los cuales se calcula el poder calorífico en función de su contenido de Carbono e Hidrógeno, suponiendo que dispondrán del oxígeno necesario para completar su combustión, en el caso del aire hemos adoptado arbitrariamente el concepto de suponer que todo el oxígeno disponible en el aire dispondrá de suficiente carbono para conseguir una combustión completa. En esta forma, podemos obtener el poder calorífico del aire en Kcal/Kg . A nivel del mar, el poder calorífico del aire siempre será de 890 Kcal/m

3N; al realizarse la combustión

a más altura, este valor disminuirá progresivamente, por disminuir gradualmente el contenido de oxígeno por metro cúbico, lo que puede apreciarse en la Figura 3.


Figura 3

Variación del poder calorífico del aire con la altura

En la misma forma, al incrementarse la temperatura del aire disminuirá su calidad como comburente, pero se incrementará su entalpía. La comparación entre la variación de ambos parámetros la efectuaremos al analizar la función termodinámica del aire en la combustión. 1-4 LA FUNCIÓN MECÁNICA DEL AIRE EN LA

COMBUSTIÓN

Al analizar la combustión como proceso fisicoquímico se estableció que los 3 principales factores que determinan la calidad de la combustión son la cinética química de la reacción, la mecánica de fluidos que determina las condiciones de mezcla y turbulencia, y la termodinámica que establece las condiciones de transferencia de calor a la operación o proceso para el cual se efectúa la combustión y liberación de calor. El aire resulta protagonista en los 3 casos, pero probablemente la función más importante que cumple en la combustión sea el aporte del impulso que proporciona la energía cinética requerida para establecer las condiciones de mezcla y turbulencia que permitan asegurar combustión completa y la formación de llama que convenga a cada reactor y proceso.

Para cumplir este propósito, el aire debe recibir el impulso que asegure las condiciones de suministro previstas en el diseño del quemador, pudiendo requerir para ello de un ventilador, soplador o compresor, según sea el caso y el trabajo que deba realizar. Las principales funciones mecánicas que realiza el aire en los sistemas, circuitos y procesos de combustión, son los siguientes: 1.4.1 Aire primario Aporta la energía cinética requerida para formación de llama, es decir, determinar la forma en que se desarrolla la combustión, para lo cual puede requerir una gran potencia, cuando se utiliza combustibles muy difíciles de quemar, o relativamente poca, cuando se utiliza gas natural o GLP, que quemándose con mucha facilidad, a veces requieren demorar la mezcla para tratar de alargar el tiempo de reacción y mejorar la emisividad de llama. Para definir con claridad y sencillez el trabajo del aire primario, hemos determinado la conveniencia de utilizar 2 parámetros que pueden ser aplicados en el diseño de quemadores o para la evaluación de quemadores que se encuentren instalados y operando, para evaluar y optimizar su funcionamiento: Potencia específica, expresada con Newton/ Gcal, y Swirl (fuerza rotacional), que representa el % del impulso total que tiene efecto rotacional. La validez y utilidad de estos parámetros la hemos podido comprobar en cientos de proyectos de optimización de la combustión en plantas industriales.

Figura 4

Ingreso de aire primario al quemador Pitojet de KHD

“La minería construye sueños” Cálculo de la Potencia Específica : N/Gcal

Los Newtons se calculan multiplicando el flujo másico (kg/seg) por la velocidad en la boquilla del quemador (m/seg). El resultado es el Impulso Total en Kg-m/seg

2 (Newtons).

Las Gcal representan el cálculo del poder calorífico del combustible quemado en 1 hora. La relación entre ambos nos dará la Potencia Específica en N/Gcal.

La potencia específica para cada quemador dependerá del tipo de quemador, el combustible utilizado, el porcentaje del aire primario total, etc. En los casos que el aire también tiene que proporcionar el aire forzado para empujar los gases de combustión, la potencia será mayor. La experiencia nos ha enseñado que cada quemador individual debe ser caracterizado y definido en cuanto a la potencia más conveniente.

Cálculo del Swirl (Fuerza Rotacional)

Para el cálculo del swirl se aplica la siguiente fórmula:

Swirl : Ir . Tg R . (d e – d i) / It . D Donde: It : Impulso total Ir : Impulso rotacional Tg : Tangente de la roseta D : Diámetro externo total di y de : Diámetros interior y

exterior de la roseta de giro.

Los valores de Swirl para quemadores normales varían entre 10 y 40%, pudiendo utilizarse valores mayores para conseguir llamas muy cortas, no necesariamente más anchas, si se dispone del diseño que permita formar llamas cónicas huecas. 1.4.2 Aire de atomización En algunos quemadores de combustibles líquidos se utiliza el aire como fluido pulverizador para atomización del combustible, presentándose en la práctica dos tipos de diseños que utilizan el aire para atomizar:

Quemadores de atomización con fluido auxiliar, que puede ser aire comprimido o vapor, para el caso de calderos. La presión normal del aire de atomización es de 4-6 bares.

Quemadores de atomización por aire a baja presión, en el cual todo el aire lo proporciona un ventilador que impulsa el aire total de combustión, que a su vez atomiza el combustible que sale en forma lateral o radial de la boquilla. El quemador Hauck es el caso típico y tuvo buenos resultados para combustibles sucios y trabajos muy estacionarios del quemador. (Figura 4.10)

Figura 4.10 Quemador Hauck

4.1.3 Tiro forzado En la mayoría de Calderos Pirotubulares y algunos tipo de hornos pequeños, el ventilador del quemador debe proporcionar, además del aire de combustión y la energía para formación de llama, el impulso necesario para empujar los gases circulantes hasta la base de la chimenea, a partir de la cual se combina este impulso con el tiro natural creado por la chimenea, para eliminar los gases de combustión a la atmósfera. En este tipo de sistemas, la capacidad de los calderos y hornos queda totalmente definido por la capacidad del ventilador para proporcionar el caudal y la presión estática en la descarga que proporcione el impulso (potencia) necesarios para formación de ll ama y circulación de los gases de combustión..

4.1.4 Aire de transporte y control El transporte neumático resulta una importante posibilidad para un inmenso espectro de operaciones que se efectúan en sistemas de combustión, principalmente de sólidos.

“La minería construye sueños” En instalaciones de carbón pulverizado con

sistemas de combustión directo o indirecto, se debe transportar el carbón del molino o silo al quemador. Para ello se utiliza un sistema de transporte por aire soplado que mantiene las partículas de carbón en suspensión, debiendo mantener velocidades suficientes para evitar depósitos de carbón pero las mínimas necesarias para evitar la abrasión en las tuberías (20 - 30 m/seg) También para eliminación de cenizas el transporte neumático representa una solución práctica y ecológica (Figura 5).

Figura 5 Transporte neumático de carbón

Aunque la instrumentación neumática ya se utiliza poco, en algún momento representó la mejor opción; el empleo de aire soplado y comprimido para cualquier tipo de accionamiento de control operativo o seguridad siempre representa una posibilidad. 4.1.5 Ventiladores, Sopladores y Compresores Todo en el universo es materia y energía. Vivimos inmersos en una gran masa de aire, a nuestra disposición para aprovecharla en 3 funciones específicas: Químicas, aprovechando su contenido de oxígeno, que representa el 21 % de su volumen (23% en masa) como comburente; mecánicas, utilizándolo como flujo dominante en la gasodinámica de la combustión; termodinámicas, como medio para transferencia de calor.

Para cualquiera de estas funciones se tiene que captar un determinado flujo de aire de la atmósfera y proporcionarle la forma y cantidad de energía que resulte adecuado para transportarse, ser introducido en un sistema establecido y efectuar un trabajo determinado. Los equipos que se utilizan para esta tarea son ventiladores, sopladores y/o compresores (Figura 5)

Figura 5 Ventiladores, sopladores y compresores

Estos equipos utilizan un motor, para convertir la energía eléctrica en la energía mecánica de giro del rotor, que se transmite al eje donde se encuentra conectada una turbina con álabes que impactan y desplazan el aire contenido en el interior de la carcasa, provocando una corriente de succión en la admisión y convirtiendo la energía mecánica en energía cinética que se manifiesta en el impulso del flujo en la descarga. La presión estática en la descarga define la nominación del equipo utilizado:

“La minería construye sueños” Un ventilador generalmente se utiliza para

mayores caudales y menores presiones (hasta 120 mBar).

Entre 120 y 200 mBar se encuentran los llamados turbo ventiladores que constituyen una interfase entre ventiladores y sopladores, muy convenientes para sistemas de combustión más exigentes.

A partir de 200 mBar y hasta 1 Bar, se denominan sopladores, siendo equipos con mayores presiones y menores caudales.

Equipos con más de 1 Bar en la descarga ya puede ser considerado un compresor y requiere criterios distintos de diseño.

Existen 2 tipos de ventiladores utilizados en la industria: centrífugos y axiales, siendo los primeros los más utilizados en sistemas de combustión y los axiales en sistemas de ventilación. En cuanto a los diseños de la forma de los álabes, lo cual determina las formas de las curvas de operación de los ventiladores, pueden ser rectos, curvados hacia adelante o atrás. En sistemas de combustión generalmente se utilizan los de álabes rectos por ofrecer flujos más estables, prefiriéndose los de aletas curvadas cuando se maneja flujos sucios, o se requiere condiciones especiales de presión. La capacidad de un ventilador queda determinada por el caudal de aire que desplaza, la presión que le imprime al flujo y la potencia que absorbe el motor para efectuar este trabajo. Estas características quedan perfectamente definidas en la curva de diseño del ventilador o soplador (Figura 6) .

Figura 6

Curvas típicas de diseño de ventiladores

En términos generales, para seleccionar un ventilador se debe establecer el caudal requerido y calcular la presión mínima necesaria en la descarga para asumir las pérdidas en el circuito de descarga y ejecutar el trabajo que debe realizar en un sistema determinado. Conociendo estos parámetros, se deberá elegir el modelo adecuado en el catálogo del fabricante o proveedor, en el cual ya está definida la potencia de motor requerida. En sistemas de combustión resulta una buena práctica definir las características del suministro de aire requeridas en cuanto a impulso y caudal, así como el margen de regulación de ambos, establecer las pérdidas de presión en el circuito de transporte al quemador y el sistema de regulación de flujo en la succión, mediante una persiana y/o la descarga, generalmente utilizando un dámper . Normalmente, la presión requerida en el quemador representa 2/3 de la presión total, correspondiendo 1/6 a la válvula de regulación y 1/6 al circuito de transporte.. Las leyes de los ventiladores permiten asumir el comportamiento del sistema cuando se modifican los parámetros de diseño y características del fluido. Siendo: N = Velocidad Q= Caudal D= Diámetro d= Densidad del fluido H= Presión estática P= Potencia del motor

La Ley 1-2-3 Para el mismo ventilador, manipulando el mismo gas (D y d constantes) , N variables: Q es proporcional a la velocidad, N

1

H es proporcional a la velocidad al cuadrado, H

2

P es proporcional a la Potencia al cubo, P3

La Ley de Densidad Para el mismo ventilador, operando a la misma velocidad, manipulando gases diferentes (D y N constantes, d variable): Q es el mismo

H (en unidades de presión) es proporcional a la densidad

H/d (carga en pies de fluido) es la misma P es proporcional a la Densidad

“La minería construye sueños” La Ley de Similaridad

Ventiladores similares operando a la misma velocidad, manipulando el mismo gas ( d y DN son constantes): Q s proporcional a D

2

H ( en unidades de presión) es la misma P es proporcional a D

2

Como un ejemplo de la aplicación de estas leyes, podemos comprobar que no resulta conveniente aplicar convertidores de frecuencia para operar ventiladores en sistemas de combustión, porque el caudal varía proporcionalmente con las RPM, pero la presión estática varía al cuadrado. Al disminuir la velocidad para regular el caudal de aire en llama baja, el impulso disminuirá al cuadrado, con lo cual la llama se desarma, aunque permita ahorrar energía, al disminuir la potencia absorbida por el motor al cubo. 2. COMBUSTIÓN EN ALTURA

El desarrollo de la tecnología de la combustión ha sido efectuado para condiciones normales, desconociendo la notable variación de características que reviste la combustión en altura.

En realidad la modificación de condiciones operativas origina en la variación de las características del aire, porque el combustible sólido y líquido se afecta muy poco, y los gases se manejan a presiones ajenas a la atmósfera, por distribuirse y utilizarse en sistemas y circuitos aislados. El efecto de la altura sobre las características del aire ya ha sido establecido y se han determinado las acciones que permiten compensar la deficiencia del aire en altura, para no afectar la calidad de combustión en equipos diseñados para operar en condiciones de presión y temperatura de aire normales. En este punto analizaremos su efecto sobre las condiciones que se presentan en los sistemas de combustión interna y externa en plantas industriales ubicadas por encima de 1000 metr0os sobre el nivel del mar..

2.1 Influencia de la altura sobre la Operación de Calderos Pirotubulares

En un caldero pirotubular la capacidad de producción de calor depende fundamentalmente del suministro de masa de aire para la combustión y la capacidad para circular y extraer los gases de combustión. Generalmente el quemador aporta todo el aire de combustión y el tiro forzado suficiente para desplazar los gases hasta la base de la chimenea, donde se regula el tiro con el dámper y se elimina los gases con el tiro natural. Al operar un caldero normal en altura se afectan los siguientes factores :

La capacidad del caldero quedará limitada por la disminución de masa de oxígeno para la combustión, determinando una disminución de la capacidad real del caldero para generación de vapor. Por ejemplo: Un caldero de 300 HP tiene una capacidad nominal de generación de vapor de 5000 Kg/h; instalado a 3000 m.s.n.m de altura solamente podrá producir 3250 Kg/h, resultando equivalente a un caldero de 200 BHP, desde el punto de vista del defecto de aire como comburente.

La disminución del flujo másico de aire para proporcionar el impulso necesario para mezcla y desplazamiento de gases podría ser compensado parcialmente por la mayor velocidad de ingreso del aire, solamente si el ventilador tiene la capacidad (presión estática en la descarga), para compensar la caída de presión consecuente, de lo contrario, también podría limitar la producción de calor y vapor en un porcentaje adicional.

Para compensar el fenómeno de altura tendría que reemplazarse el ventilador por otro de mayor caudal y presión, probablemente un turbo soplador (120 – 200 mBar), pero no podría mantenerse las condiciones de eficiencia debido a la aceleración del paso de los gases a través de la zona convectiva.

“La minería construye sueños” La eficiencia del caldero podría afectarse

en mayor proporción cuando se utilice combustibles difíciles de quemar en los cuales resulte fundamental la calidad de mezcla. Cuando la forma de atomización depende del aire atmosférico la operación podría resultar imposible de optimizar por no poderse conseguir una atomización perfecta

Los fabricantes de equipo pretenden compensar las deficiencias del aire en altura vendiendo equipos de mayor capacidad, obteniendo mayores beneficios económicos. La adecuada selección de ventiladores con suficiente capacidad para compensar la disminución de presión en altura y/o la modificación de los existentes, resultará suficiente para alcanzar similares condiciones operativas que en condiciones normales. 2.2 Influencia de la altura sobre la Operación

de Calderos Acuotubulares

En Calderos Acuotubulares el problema químico sería similar, dependiendo la extracción de gases del sistema de circulación (forzado o inducido). En este caso también podría afectarse la transferencia de calor por radiación si disminuye la temperatura de llama, lo que podría suceder por falta de intensidad de mezcla. Respecto a la calidad de transferencia de calor también se vería afectada por el mayor volumen de gases inicial, resultando necesario incrementar la succión para compensar el aumento de presión en el hogar. Debe tomarse en cuenta que en un caldero pirotubular el 80-85% se transfiere por convección, mientras que en acuotubulares la proporción de calor transferido por radiación aumenta proporcionalmente con su capacidad hasta llegar a un 85 %. Un caldero acuotubular de 50 TM/hr transfiere 50/50 % de cada uno de los tipos de transferencia de calor.

La compensación del aporte de mayor volumen de aire y/o incremento de presión podría aumentar la velocidad de circulación de gases, afectando la eficiencia del sistema y poniendo en riesgo los tubos del economizador en casos extremos. En calderos acuotubulares la complicación del trabajo del quemador y la formación de llama puede también complicarse, pudiendo afectar la integridad de los tubos en caso de ancharse o alargarse la llama, ocasionando el impacto de llama sobre tubos o estructuras metálicas y/o refractarias dentro del caldero. La misma compensación anotada para calderos pirotubulares y el asegurarse de que el quemador tenga capacidad para formar llama cónica hueca, resultarán suficientes para optimizar el sistema. 2.3 Influencia de la altura sobre la Operación

de Hornos de Proceso En el caso de hornos de procesos, la influencia de la altura dependerá del tipo de quemador empleado. La sustitución de un soplador por un ventilador puede compensar la deficiencia de masa, incrementando la presión de suministro, pudiendo modificarse el diseño del quemador que determina la forma de llama : Potencia Específica y Swirl. Cuando el quemador es del tipo de atomización por aire a baja presión, el problema resulta muy grave, porque la deficiencia de masa y consiguientemente de impulso resultará insuficiente para conseguir la atomización perfecta que resulta necesaria para conseguir atomización completa con combustibles líquidos. Un caso típico es el del quemador Hauck, que utiliza el aire del ventilador para atomizar combustibles líquidos (Figura 7). A la deficiencia de aire de atomización se le agrega la insuficiencia de masa de oxígeno para la combustión y falta de impulso para desplazamiento de los gases quemados y la operación del quemador Hauck en altura resulta muy deficiente.

Figura 7

Quemador de atomización y

formación de llama con aire a baja

presión, inadecuado para operar en altura.


Para compensar tales deficiencias resulta imprescindible sustituir el ventilador por un turbo ventilador que proporcione toda la masa de aire e impulso requeridos. Adicionalmente y en forma adecuada para cada proceso, se debe efectuar las modificaciones que resulten necesarias el el circuito de gases y transferencia de calor. 2.4 Influencia de la altura sobre la Operación de Motores Endotérmicos

Los motores de combustión interna se afectan con la altura en la medida que disminuye la presión de admisión, pero compensando este factor mediante un sistema de turbo compensación, el desarrollo interno de la combustión resulta similar o mejor al que se consigue en condiciones atmosféricas normales. Los equipos de uso más generalizado de esta clase son los motores Diesel y las turbinas de gas. En los motores Diesel la influencia de la altura se manifiesta por efecto de la disminución de la presión y la densidad, debiendo compensar tales deficiencias con turbo compresores.

En turbinas, las deficiencias de altura deben ser compensadas en la capacidad de los compresores de aire, para asegurar que la masa que impacta los álabes resulte similar a la prevista para su operación en la consta. 2.5 Enriquecimiento del aire con oxígeno En las funciones del aire en altura y en procesos que requieren elevadas temperaturas de operación, se puede justificar el enriquecimiento de aire con oxígeno para normalizar su comportamiento o elevar la temperatura de llama para conseguir mayores velocidades de calentamiento y menores tiempos de fusión. El enriquecimiento del aire se puede efectuar mediante los siguientes procedimientos: Enriquecimiento general del aire de

combustión

Consiste en inyectar oxígeno a la salida del ventilador, efectuando la dosificacion en forma másica. Tomando en cuenta que la combustión con oxígeno representa tener una temperatura de llama de 3200-3400 °C (adiabática), al disponer de la posibilidad de controlar la temperatura de llama que más convenga para cada caso, e incluso variar el flujo para cada fase del proceso, se puede instalar un sistema de regulación automático. Como un ejemplo, a 2350 metros de atura, el contenido másico del aire atmosférico será de 235 gr/m

3, para disponer de un comburente normal, se

tendría que adicionar la msa de oxígeno necesario para tener una mezcla con 23/ en masa. Inyección directa de oxígeno en la llama En esta técnica se utiliza la inyección a alta velocidad de oxígeno en el cuerpo de la llama, con el propósito de pueden conseguir una elevación de temperatura de la misma, favoreciendo la transferencia de calor por radiación. En la práctica se confrontan dos grandes in convenientes: Se quema el tubo de oxígeno, al ser expuesto a las temperaturas del hogar; se produce convección en la llama al producirse zonas calientes de llama en la zona de inyección, lo cual podría producir una desviación de llama, en algunos casos peligrosa. Empleo de un quemador auxiliar oxi-fuel Los quemadores oxi-fuel inyectan una llama de alta temperatura en el cuerpo de la llama principal, confrontando los problemas de alta radiación a las zonas circundantes y la tendencia a la retrollama. En la Figura 8 se muestran los sistemas que se emplean con oxigeno.

Figura 8


3. CONCLUSIONES 3.1 Aplicando la tecnología adecuada, no existe

justificación para que los proveedores pretendan justificar menores potencias y eficiencias en máquinas térmicas cuando operan por encima de 1000 m.s.n.m.

3.2 La implementación de proyectos de

optimización de la combustión y el rendimiento de máquinas térmicas en altura, representa una inversión de alta rentabilidad para las empresas mineras.

3.3 Para conseguir y mantener la optimización de

la combustión y el rendimiento de máquinas térmicas en altura, resulta prioritario capacitar al personal de planta en esta nueva tecnología y la eficiente gestión energética en altura.

La selección equivocada del tipo de quemador para sus hornos a 3800 s.n.m en el Complejo Metalúrgico más importante del mundo (Cerro de Pasco, Centromin Perú y Doe Run sucesivamente) determinó que se opere ineficientemente durante 70 años y que La Oroya se convierta en la ciudad mas contaminada del mundo

Referencias Todos los libros y artículos técnicos publicados en la web “www.combustionindustrial.com

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