Calderas de aceite térmico Low NOx con quemador de Gas Natural de más de 1 MW

Las nuevas calderas industriales deben cumplir el límite máximo de emisión de NO_x fijado por el Real Decreto 1042/2017 (transposición de la Directiva UE 2193/2015), que para Gas Natural es 100 mg/Nm³ de NO_x

Existen en el mercado quemadores de distintas marcas con cabeza de combustión especial para recirculación interna de gases, e incluso quemadores con recirculación externa de gases, con bajos niveles de emisión de NO_x

• Clase 2 según EN676: < 120 mg/kWh NO_x
• Clase 3 según EN676: < 80 mg/kWh NO_x
• FGR (Flue Gas Recirculation): < 30 mg/kWh NOx

Utilizar quemadores de Clase 3 o FGR es condición necesaria, pero puede no ser suficiente. El valor final de la emisión del conjunto caldera + quemador depende mucho del diseño de la caldera y su cámara de combustión y de las condiciones de trabajo:

Temperatura del fluido en la caldera:

Los valores de emisión, de acuerdo con la normativa EN676, se determinan en unas condiciones ideales determinadas. Pero en calderas industriales, cuando mayor es la temperatura del fluido (agua, vapor, aceite térmico) menos se refrigera la llama en la cámara de combustión y se produce más NOx. Por tanto en el caso concreto de las calderas de aceite térmico es muy importante controlar el resto de los factores, con un buen diseño de la caldera.

Tipo de caldera:

Las calderas de aceite térmico ANINGAS-ERGOS son de 3 pasos reales, de este modo el tiempo de permanencia dentro de la cámara de combustión es menor que en calderas de inversión de llama o de dos pasos y por tanto menos formación de NO_x

Carga térmica de la cámara de combustión:

A menor carga térmica menos formación de NO_x

      

Las calderas de aceite térmico ANINGAS tienen muy baja carga térmica, inferior a 0,8 MW/m³, en consecuencia poca formación de NO_x

Diámetro de la cámara de combustión:

No es suficiente tener baja carga térmica, además es imprescindible que las dimensiones de la cámara de combustión permitan la recirculación de los gases.

Se considera que el diámetro de la cámara de combustión debe ser como mínimo 3 veces el diámetro de la cabeza de combustión del quemador. El diámetro de las calderas ANINGAS-ERGOS es muy holgado y se supera ampliamente esta relación.

Por el mismo motivo la cabeza de combustión del quemador debe entrar en la cámara de combustión entre 150 mm (mínimo) y 200 mm (máximo) y la tapa de la caldera debe ser plana. 

Temperatura del aire de combustión:
Precalentar el aire de combustión es una buena opción para recuperar calor, como se describió anteriormente  Sin embargo hay que tener en cuenta que, por cada aumento de 100ºC en la temperatura del aire de combustión aumenta en 50 mg/Nm³ la emisión de NO_x

Si se consideran todas estas influencias, es evidente que solo se pueden alcanzar bajas emisiones de NOx cuando el quemador y la caldera están adaptados entre sí, como es el caso de las Calderas de Aceite Térmico Low NOx  de ANINGAS-ERGOS

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A partir de 20/12/2018: Nuevos límites de emisiones en instalaciones de combustión medianas (entre 1 MW y 50 MW). Real Decreto 1042/2017 de 22 de diciembre.

Fechas clave:

• Instalaciones de combustión nuevas: A partir del 20 de diciembre de 2018
• Instalaciones de combustión existentes (entre 5 y 50 MW): A partir del 1 de enero de 2025
• Instalaciones de combustión existentes (entre 1 y 5 MW): A partir del 1 de enero de 2030

Las instalaciones de combustión, deben cumplir con los limites de emisiones, establecidas en el Real Decreto 1042/2017 (transposición de la directiva 2193/2015), para dióxido de azufre (SO₂), óxidos de nitrógeno (NO_x) y partículas.

El ámbito de aplicación son las instalaciones de combustión entre 1 MW y 50 MW, por tanto es aplicable por ejemplo a calderas de aceite térmico a partir de 750.000 kcal/h o calderas de vapor a partir de unos 1.250 kg/h, para todo tipo de combustibles:

• Biomasa 
• Otros combustibles sólidos 
• Gasóleo  
• Otros combustibles líquidos (fuel oil, etc.) 
• Gas Natural, 
• Otros combustibles gaseosos (biogás, etc.)

Para instalaciones de combustión de > 50 MW ya existía el real Decreto 430/2004 que correspondía a la directiva 2001/80/CE

  

Para instalaciones nuevas (a partir del 20 de diciembre de 2018) los valores máximos serán:

  

 

Es decir los limites para  NO_x son:

• Gas Natural: 100 mg/Nm3
• Otros gases (Biogas, GLP, Butano, ...): 200 mg/Nm3
• Gasóleo: 200 mg/Nm3
• Fuel oil: 300 mg/Nm3  (No es factible solo con el quemador, requiere tratamiento de gases posterior)

Se deben tener en cuenta los distintos casos particulares, por ejemplo:

• Para calderas de Biomasa los límites máximos de partículas serán:
• Entre 1 MW y 5 MW 50 mg/Nm3
• Entre 5 MW y 20 MW 30 mg/Nm3
• Entre 20 MW y 50 MW 20 mg/Nm3
• También para biomasa, en determinadas zonas hasta 2030, las comunidades autónomas podrán eximir temporalmente de estos valores límites y permitir hasta 150 mg/Nm3 para partículas
• Para biogás el límite de SO2 será de 100 mg/Nm3

Las instalaciones existentes también se deberán adaptar

• Entre 5 MW y 50 MW a partir del 1 Enero 2025:

•  Entre 1 MW y 5 MW a partir del 1 Enero 2030:

Para Canarias los limites son distintos (indicados en el Anexo III del RD), básicamente se permiten para fueloil mayores emisiones de SO2 y partículas.  

Para el seguimiento de las emisiones y la evaluación del cumplimiento se establece la obligatoriedad de realizar controles externos con la siguiente periodicidad:

•    Entre 1 MW y 20 MW cada 3 años
•    Entre 20 MW y 50 MW cada año.

Se realizaran mediciones SO2, Nox, partículas y además también de CO (aunque no se establecen valores límites de emisión para el CO)

En ANINGAS-ERGOS, desde hace algún tiempo, estamos suministrando una nueva serie de  calderas con quemadores Low NOx y amplias cámaras de combustión, para que el conjunto (caldera + quemador) permita cumplir los bajos niveles de emisiones requeridos.

También estamos a la disposición de las empresas que quieran ir modernizando y adaptando sus instalaciones de combustión a los valores que les serán exigidas en un futuro.

Formación:
El 8 de Mayo de 2018 se realizó en Barcelona una Jornada Técnica organizada por el Gremi de Caldereria y el Col.legi d'Enginyers Industrials. Se puede consultar el texto de las ponencias en el enlace:
https://gremicaldereria.com/es/consultar-las-presentaciones-de-la-jornada-sobre-instalaciones-de-combustion-y-equipos-a-presion-nuevas-normativas/


Inscripción en el registro de instalaciones medianas de combustión: 
El Real decreto establece que el titular de las instalaciones deberá aportar la información especificada en el Anexo I a la autoridad competente.  La tramitación será electrónica. En el caso de nuevas instalaciones la norma establece que se deberán inscribir antes de la puesta en marcha. 

Las Comunidades Autónomas han establecido sus propios trámites. Por ejemplo en Catalunya:

https://web.gencat.cat/ca/tramits/tramits-temes/Registre-dinstallacions-de-combustio-mitjanes

https://web.gencat.cat/ca/tramits/tramits-temes/Llibres-de-registre-de-focus-emissors-i-torxes-de-seguretat

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Actualizado 2023_05_23

Ahorro de energía mediante el control en continuo de los gases de combustión.

El ahorro de energía en las instalaciones de combustión industriales es hoy en día prioritario. En muchas de nuestras calderas de aceite térmico ANINGAS y de vapor ERGOS estamos incorporando analizadores en continuo de O2 (y de CO).

En cualquier combustión industrial se ajustan los parámetros de combustión con un cierto exceso de aire, para:

• Compensar las fluctuaciones en las propiedades del combustible, condiciones ambientales, tiro de la chimenea, caudal de aportación de combustible, relación combustible/aire en distintos puntos de trabajo del quemador, …

• Evitar la formación de inquemados (hollín, CO, …)

Este exceso de aire reduce el rendimiento de la combustión porque se calienta aire innecesariamente y en consecuencia se produce una pérdida de calor por la chimenea.

En primera aproximación, utilizando la formula empírica de Siegert, podemos calcular el rendimiento de la combustión.

 

Qs = Pérdida de calor por la chimenea.
tf = Temperatura de los humos.
ta = Temperatura del aire comburente.
ƞ = Rendimiento de la combustión.
O2 = % Oxígeno
A2, B = Constantes que dependen del tipo de combustible.
                         A2               B
Gas Natural    0,66             0,009
Gasóleo          0,68             0,007
Fuel-oil           0,61             0,010

Por tanto,  por cada reducción del 1% de O2 el rendimiento de la combustión se incrementa en:
0,6% para el Gas Natural
0.7% para el gasóleo
0.75% para fuel-oil

Un análisis en continuo de oxígeno, permite ajustar al máximo, el exceso de aire. El sistema de control compara el valor real de % de oxígeno en la chimenea con el valor de consigna fijado en toda su gama de regulación, evitando además que esté por debajo de un nivel de seguridad prefijado y actúa a tiempo real sobre la velocidad del ventilador de aire de combustión.

Es factible aumentar, en calderas industriales, el rendimiento de la combustión alrededor de un 2%. En calderas y quemadores que no trabajan siempre en el la potencia nominal el ahorro práctico puede ser mucho mayor.

Actualmente se utilizan sondas de óxido de Zirconio, que permiten la medición directa del oxígeno en la chimenea, a pesar de la temperatura y humedad de los humos, sin requerir toma ni preparación de la muestra, con rápida respuesta y bajo mantenimiento.

Adicionalmente el control de velocidad del ventilador del aire comburente proporciona:

• Reducción del consumo de electricidad
• Reducción del nivel sonoro

Para calderas de gran potencia se puede incluir un control en continuo de CO, como seguridad adicional. Esto permite rebajar aún más el valor de consigna del regulador de oxígeno en la combustión, aumentando por tanto el rendimiento.

Por nuestra experiencia, la optimización de la combustión en calderas, mediante el control en continuo de O2 en los gases de combustión, permite ahorros importantes, sin grandes inversiones.

Recuperación de calor en calderas de aceite térmico ANINGAS

En calderas de aceite térmico la temperatura del fluido transmisor de calor puede ser bastante alta (hasta 400ºC, dependiendo del tipo de aceite térmico) por tanto las temperaturas de humos a la salida de la caldera también acostumbran a ser altas y existe un gran potencial para ahorrar energía, recuperando calor.

En primera aproximación, por cada reducción de 20ºC en la temperatura de humos, aumenta un 1% el rendimiento.

Economizador Precalentador Aceite

Existen varias opciones de recuperación:

• Precalentar el aceite de retorno a la caldera: Insertando un Economizador Gases / Aceite, de área extendida, en el circuito de gases de la caldera, se puede aumentar el rendimiento. El aceite térmico circula por el interior de los tubos y colectores (circulación forzada) y los gases, en un solo paso, por el exterior a presión cercana a la atmosférica. Esta solución se puede adoptar sin problema en calderas existentes, basta aumentar la presión de la bomba de recirculación de aceite térmico existente para vencer la perdida de presión adicional en el circuito. Como la temperatura del aceite a través del economizador es relativamente alta no se presentan corrosiones ni condensación ni se alcanza el punto de rocío ácido (si el combustible es gasoil o fuel oil). El espacio requerido para este tipo de Economizador es inferior a un Precalentador Gases / Aire.

• Calentar otro fluido, por ejemplo agua de proceso: Con un Economizador Gases /Agua. Pero no siempre existe la necesidad de calentar agua de proceso durante todo el tiempo de funcionamiento de la caldera de aceite térmico. Si la temperatura de entrada de agua al economizador es muy baja y no se toman precauciones adicionales se podría producir condensación o corrosiones. Como el coeficiente global de transmisión de calor al agua es más alto y tambien el salto térmico, son equipos relativamente compactos. Estos economizadores pueden ser acuotubulares o pirotubulares y opcionalmente se suministran rampas de lavado, by-pass de gases, etc. Se pueden instalar sin problema en calderas existentes, basta ajustar la regulación del quemador, debido a la variación en el tiro de la chimenea.

Economizador pirotubular con by-pass

Economizador acuotubular con rampa de lavado

• Precalentar el aire de combustión. Estos Precalentadores Gases / Aire son similares a los descritos previamente para el caso de calderas de vapor o agua sobrecalentada. La principal diferencia es que al aumentar la temperatura del aire de combustión aumenta también la densidad de flujo calorífico por radiación de la llama. Este efecto puede ser beneficioso en calderas nuevas y bien dimensionadas pero en calderas existentes antiguas o en que no se tuvo en cuenta este aspecto podría aumentar la temperatura de película del aceite térmico en el interior del serpentín de la caldera y causar problemas (sobrecalentamiento del aceite térmico, deterioro prematuro, cavitaciones, daños en la caldera, ...). Se requieren quemadores especiales para aire de combustión caliente, por este motivo, en calderas existentes, esta opción puede obligar a cambiar el quemador.

Además de la economía de combustible que se consigue al enfriar la temperatura de los humos, precalentando el aire de combustión, deben considerarse los siguientes efectos positivos de esta recuperación:

1. Aumenta la temperatura de combustión.
2. Intensifica la transmisión de calor útil en la caldera de aceite térmico.
3. Disminuye las perdidas por combustión incompleta.
4. Permite trabajar con niveles más reducidos de exceso de aire.
5. Realmente el ahorro potencial tiene lugar durante todo el tiempo de funcionamiento de la caldera.

f factor incremento transmisión por radiación

Esto se traduce en un ahorro adicional por mejora del rendimiento de la caldera.

Sin embargo, este aumento de la temperatura de combustión aumenta la formación de NOx en los humos. Hay que realizar un estudio riguroso para cumplir las normativas de emisiones.

En ANINGAS-ERGOS S.A. podemos proporcionar una solución amortizable y técnicamente correcta.

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Actualizado 2019_04

Recuperación de calor en calderas de vapor ERGÓS

El aumento de la eficiencia es muy importante por el ahorro de combustible y además porque en calderas de cogeneración los complementos retributivos son función de esta eficiencia y permiten discriminar las que deben ser objeto de fomento.

Normalmente el rendimiento de las calderas de vapor pirotubulares con quemador (dependiendo de las condiciones de trabajo) es del orden del 91 ó 92 %.

Este rendimiento se puede incrementar reduciendo la temperatura de los humos con uno o más Economizadores en serie a la salida de los gases de la caldera, reduciendo su temperatura y aprovechando al máximo el calor residual.

Con un Economizador Gases / Agua se puede incrementar de modo económico el rendimiento un 4% (hasta un 94% +-1). Un Precalentador adicional de aire de combustión puede aumentar el rendimiento otro 3% (hasta 97% +-1).

ANINGAS S.A. suministra dos tipos de Economizadores Gases / Agua:

• Economizadores “en línea”, es decir que no están situados sobre la vertical de la propia caldera. Además del by-pass del circuito de agua, se dispone de by-pass de gases manual integrado en el propio equipo. Facilitan el mantenimiento y la inspección. Minimizan el riesgo de corrosiones en la caldera por condensación.

• Economizadores en chimenea. Mucho más compactos, adecuados para calderas existente o salas de calderas con limitación de espacio.

En ambos casos se puede precalentar el agua de alimentación de la propia caldera u otro circuito independiente de agua para otras aplicaciones (agua de proceso, ACS, ...)

En el diseño de estos equipos se deben tener en cuenta:

• Limitar la temperatura del agua de alimentación de la caldera, a la salida del economizador a unos 4ºC (approach point) por debajo de la temperatura de saturación del vapor en el interior de la caldera, para evitar vaporizaciones en el Economizador.

• Mantener la temperatura de los gases a la salida del economizador por encima de 120ºC / 125ºC para evitar condensaciones y corrosiones. Sin embargo se pueden diseñar Economizadores especiales de acero inoxidable para aprovechar también el calor de condensación.

• Mantener la temperatura de entrada del agua al economizador por encima de 75ºC / 78ºC en calderas de cogeneración a partir de gases de motores, para evitar la condensación de aceite del motor.

Los materiales constructivos se deben escoger en función de las necesidades de cada caso:

• Tubos de acero al carbono con aletas de aluminio.

• Tubos de acero al carbono con aletas de acero.

• Tubos de acero al carbono con aletas de acero soldadas por radiofrecuencia y casquillos antivibratorios en los extremos (para calderas de cogeneración de motores)

Dependiendo del tipo de caldera (convencional con motor de gas, biogas, gasoil, fuel oil o de cogeneración de motores o turbinas) se utilizan

• Distintas separaciones de aletas: 3mm (8 aletas por pulgada), 4 mm (6 aletas por pulgada), 5 mm (5 aletas por pulgada), 6 mm (4 aletas por pulgadas), 8 mm (3 aletas por pulgada). Con distintos coeficientes de transmisión, superficie de transmisión y facilidad de limpieza.

• Diferentes disposiciones: al tresbolillo (más eficiente) o paso cuadrado (mayor facilidad de limpieza)

Los Precalentadores Gases / Aire son más caros y ocupan más espacio,  pero presentan las siguientes ventajas:

• Permiten aprovechar al máximo el calor de los gases.

• No hay corrosiones en el circuito agua.

• Validos para gases de combustión de fuel oil, en que se requerirían Economizadores especiales

• Si el retorno de condensados es a alta temperatura, por ejemplo en la industria cervecera, la temperatura de entrada a un Economizador Gases / Agua es muy próxima a la temperatura del vapor y el calor recuperable sería muy poco.

• Se puede utilizar también para calderas de agua sobrecalentada en que la temperatura de retorno es muy similar a la temperatura de la caldera y la temperatura de humos es relativamente baja.

Sin embargo, el aumento de la temperatura de combustión, aumenta la formación de NOx en los humos. Hay que realizar un estudio riguroso para cumplir las normativas de emisiones.

Los Precalentadores Gases / Aire se utilizan en calderas industriales conjuntamente con quemadores para aire caliente.

La instalación, reparación e inspecciones periódicas de los economizadores están incluidas en el ámbito de aplicación de la Instrucción técnica complementaria ITC EP-1 CALDERAS del vigente Reglamento de Equipos a Presión.

En los últimos años en ANINGAS S.A. hemos estudiado e instalado numerosos economizadores y precalentadores tanto en calderas nuevas como en existentes, de distintos fabricantes. Consulten sin ningún compromiso, en muchos casos el retorno de la inversión es muy corto.

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Actualizado 2019_04

Servicio integral para calderas, combustibles y quemadores industriales

También disponibles para calderas e instalaciones de otros fabricantes

Ingeniería

• Estudios de viabilidad técnica y económica
• Diseño de plantas “llave en mano”
• Auditorias energéticas
• Balances térmicos e hidráulicos
• Diseños especiales “a medida”
• Racionalización y ahorro energético

Instalaciones
• Salas de calderas completas
• Redes de tuberías, válvulas de control
• Limpieza química alcalina, pasivado y formación de magnetita
• Depósitos
• Chimeneas
• Combustibles líquidos: Gasoil, Fuel (IP-03)
• Gases combustibles a baja, media y alta presión
• Cambio de combustibles en calderas existentes
• Estaciones de regulación y medida (E.R.M.) gas, Grupos de regulación y Rampas de quemador
• Contadores de consumo interno de combustible
• Líneas encamisadas para asfaltos y productos viscosos
• Almacenamiento biomasa, descarga y dosificación hasta calderas
• Multiciclones depuradores de alto rendimiento partículas sólidas en humos calderas de biomasa
• Descarga continua de cenizas y escorias
• Filtros de mangas
• Circuitos secundarios de control de temperatura.
• Intercambiadores de calor y elementos auxiliares
• Monofluido calentamiento – enfriamiento y refrigeración
• Recuperación de calor
• Economizadores, precalentadores de agua, aire combustión
• Modulación de quemadores con análisis en continuo de O2 y CO
• Variadores de velocidad en motores de bombas de alimentación y ventilador quemador
• Modificaciones en instalaciones existentes
• Aumento intervalos de comprobación de 2 horas a 24 o 72 horas

Cuadros eléctricos
• Automatización instalaciones PLC
• Registro de datos y control de supervisión SCADA

Auditoria de instalaciones
• Inspecciones y pruebas de presión obligatorias (Nivel A, Nivel B y Nivel C)
• Proyectos de legalización y trámites legales
• Medición de espesores por ultrasonidos
• Análisis obligatorios aceite térmico
• Optimización de rendimientos de calderas y procesos de intercambio de calor
• Termografías infrarrojas (perfiles de temperatura).
• Medición externa caudales fluidos
• Análisis de combustión.

Mantenimiento
• Servicio de mantenimiento (Predictivo, preventivo y correctivo)
• Telegestión
• Regulación de quemadores
• Hogares de combustión: regulación aire combustión, tiro, temperaturas
• Material refractario
• Limpieza interior calderas de vapor (parte agua y humos)
• Sistema de filtración en continuo y en caliente para aceite térmico
• Rehabilitación y modernización de calderas
• Reentubados
• Serpentines de calderas
• Escaleras fijas modulares con protecciones
• Averías, reparaciones y recambios
• Suministro y cambio de aceite térmico

Puestas en marcha

Formación usuarios

Outsourcing

Calderas aceite térmico y vapor para combustibles especiales

Hemos suministrado recientemente varias calderas industriales para aprovechamiento de combustibles no convencionales, proporcionando a nuestros clientes ahorros en los costes de explotación. Para estos casos de combustibles líquidos “especiales” utilizamos quemadores rotativos. Estos quemadores llevan una pequeña llama piloto para el arranque.

Se pueden valorizar energéticamente todo tipo de combustibles ligeros y pesados, así como residuos industriales, aceites, biodiesel, grasas animales, etc. simultaneamente o por separado con combustibles mas convencionales (gas natural, gasoil, fuel oil, ...).