Cómo los economizadores de calderas reducen el consumo de energía y los costos de combustible

Cómo los economizadores de calderas reducen el consumo de energía y los costos de combustible

Todas las calderas industriales muestran un porcentaje de la energía de su combustible directamente en la chimenea de escape como gas de combustión caliente. En muchas plantas, ese exceso de energía representa entre 10 y 151 TP3T del aporte total de combustible. Un economizador de caldera o una unidad de recuperación de calor de gases de combustión toma esa energía de salida y la recicla en el agua de alimentación antes de que ingrese al tambor de la caldera. Resultado: menos combustible quemado por cada libra de vapor; temperaturas más bajas de la pila; y una reducción mensurable de los costos operativos.

En esta sección, analizamos el funcionamiento de los economizadores de calderas, las diferencias entre los tipos condensados y no condensados, los ahorros de combustible observados en las pruebas del Departamento de Energía de EE. UU., las consideraciones de tamaño, las cuestiones típicas de mantenimiento y cómo un economizador puede aprovechar el agua. Sistemas de calderas de vapor tubulares para una óptima recuperación del calor.

¿qué es un economizador de calderas y cómo funciona?

Un economizador de caldera es simplemente un intercambiador de calor colocado en el conducto de gases de escape entre el cabezal de la caldera y la chimenea. Los gases de escape calientes fluyen a través de la cámara de combustión pasando por una serie de tubos con aletas que transportan agua de alimentación entrante, donde transfiere energía térmica para calentar el agua antes de que llegue al tambor de la caldera. La transferencia de calor se produce cuando el economizador o intercambiador de calor de gases de combustión enfría el gas desde una temperatura alta a una temperatura de salida más baja, mejorando su condición antes de que ingrese a la caldera. Debido a que la caldera ahora recibe un agua de alimentación más cálida, se necesita menos energía de combustible para transformar esa agua más allá de la temperatura de ebullición y convertirla en vapor. En las centrales eléctricas con sistemas de turbinas, los economizadores (también escritos economizadores) también ayudan a estabilizar las condiciones del agua de alimentación aguas arriba de la sección del sobrecalentador, de manera muy similar a como un HRSG captura la entalpía de escape en configuraciones de ciclo combinado.

La recuperación de calor depende de la diferencia de temperatura entre los gases de escape (350-600 F según el tipo de caldera y la carga) y el agua de alimentación entrante (a menudo 180-230 F). Cuanto más ancho sea el delta, más energía recuperable. En una instalación común en una caldera de vapor alimentada por gas, el economizador se instala entre el último paso de la caldera y la chimenea de escape, ya sea directamente en la brida de salida de la caldera o ensamblado de forma independiente en los conductos.

Tipos de Economizadores de Calderas: No Condensantes vs Condensadores

Los economizadores de calderas se clasifican en dos tipos generales según el grado de refrigeración de los gases de escape. La selección entre ellos influye en el potencial de enfriamiento y los requisitos de manipulación de condensados corrosivos.

Economizadores no condensantes (convencionales)

Los economizadores sin condensación mantienen la temperatura de salida de los gases de combustión por encima del punto de rocío -, generalmente por encima de 250 F para la combustión de gas natural. Esto limita la condensación de humedad en la superficie de transferencia de calor dentro del escape y elimina los problemas de corrosión ácida. Estos economizadores reducen la temperatura de salida del gas de la chimenea entre 100 y 150 F más que una caldera no equipada, pero nunca por debajo del área segura por encima del punto de rocío. La construcción estándar de acero al carbono o hierro fundido es apropiada. Estas unidades aumentan el agua de alimentación entre 20 y 30 F y proporcionan ahorros de combustible de 3 a 51 TP3T en la mayoría de los procesos de calderas industriales.

Economizadores condensadores

Un economizador de condensación está diseñado para enfriar los gases de combustión por debajo del punto de rocío (aproximadamente 135 F para los productos de combustión de gas natural, como se menciona en el Hoja de puntas de vapor DOE #26A). Cuando las unidades caen por debajo de este nivel, el vapor de agua en el escape comenzará a condensarse, eliminando el calor latente que de otro modo saldría de la chimenea de la caldera. La acumulación de calor latente aumenta la eficiencia total más de lo que puede lograr una recuperación de calor sensata.

Una desventaja: los economizadores de condensación deben utilizar metales resistentes a la corrosión. Los usos típicos incluyen superficies con aletas de aluminio en tubos de acero inoxidable, ya que el agua de enjuague con condensado de gases de combustión ligeramente ácida puede pasar sin verse afectada. Cualquier condensado recogido es ligeramente ácido (pH 3-4) y necesita neutralizarse y drenarse.

Para calderas alimentadas con petróleo, con un mayor nivel de azufre en el combustible, estarán dentro de un punto de rocío ácido aún mayor (hasta 275-300 F). Los diseños sin condensación son entonces la mejor opción a menos que exista un tubo de aleación de bobina economizadora estándar para soportar el ácido sulfúrico.

¿cuánto combustible puede ahorrar un economizador de caldera?

Según el Hoja de puntas de vapor del Departamento de Energía de EE. UU. #3 un economizador de agua de alimentación puede reducir el uso de combustible entre 5% y 10% y se paga en un plazo promedio de 2 años. Por cada 40 F que pueden bajar sus gases de combustión, la eficiencia de una caldera aumenta aproximadamente 1%.

Consideremos una perspectiva real: una caldera de vapor alimentada por gas de 20 t/h utilizará alrededor de $1,4 M de combustible al año, con 8.000 horas/año, a un precio de gas natural de $8/MMBtu. Esa cantidad de energía, aproximadamente una reducción de 6% en el uso de combustible con un economizador, se traduce en ahorros de aproximadamente $84.000 por año en el costo de energía. Los costos de modernización del economizador de condensación para este tamaño oscilan entre $80.000 y $150.000, que se amortizan en 2 años o menos, según los criterios del DOE.

Mejora con un economizador de condensación. Como el Hoja de puntas de vapor DOE #26A como muestra, un economizador de condensación equipado con un disipador de calor de baja temperatura logra una posible mejora del consumo de energía en 20%, incluida la recuperación de calor tanto sensible como latente.

Los objetivos ideales para las modernizaciones de economizadores, en los puntos de referencia del DOE, son calderas de más de 100 caballos de fuerza, con una potencia de más de 75 psig, con una enorme proporción de carga durante todo el año. Las calderas de carga parcial o estacionales tienen menos que ganar porque mucho menos calor residual de los gases de escape de la caldera atraviesa la caldera, y apenas vale la pena recuperar la pérdida de calor en la chimenea.

Dimensionamiento e instalación: factores clave para su sala de calderas

Dimensionar correctamente un economizador de chimeneas de calderas no se trata de hacer coincidir una unidad con la capacidad nominal. Existe todo un conjunto de factores que influyen en el tamaño de las superficies de transferencia de calor, la ubicación en la sala de calderas y la elección del material.

• ✔
  Caudal y temperatura de gases de combustión « Mayores volúmenes de escape y temperaturas significan más calor recuperable. Mida las temperaturas reales de la pila bajo carga normal, no solo los valores nominales.
• ✔
  Temperatura del agua de alimentación que ingresa al economizador «Cuanto menor sea la temperatura del agua de alimentación entrante, mayor será la diferencia de temperatura y el potencial de transferencia de calor. Los sistemas con desaireadores suministran agua de alimentación a 225-230°F, lo que limita el delta recuperable.
• ✔
  Tipo de combustible y contenido de azufre «El gas natural tiene un punto de rocío ácido bajo (~135°F), lo que da más espacio para enfriar los gases calientes. Los sistemas alimentados con petróleo con mayor contenido de azufre elevan el punto de rocío ácido hasta 275-300°F, lo que limita la distancia que se puede reducir la temperatura de la pila.
• ✔
  Espacio disponible « Los economizadores añaden altura o longitud al recorrido de escape. Mida la holgura entre la salida de la caldera y la penetración de la pila o del techo antes de realizar el pedido.
• ✔
  Límites de contrapresión «Agregar un economizador aumenta la resistencia a los gases de combustión. Verifique que su ventilador de tiro inducido (o tiro natural) pueda soportar la caída de presión adicional sin reducir el flujo de aire de combustión.
• ✔
  Tipo de caldera de tubo de agua versus tipo de caldera de tubo de fuego « Las calderas acuotubulares (como la SZS tipo D) suelen producir gases de escape a mayor temperatura a presiones más altas, lo que las convierte en excelentes candidatas para modernizaciones de economizadores. Las unidades de tubos de fuego a presiones más bajas pueden beneficiarse menos dependiendo del perfil de carga.

Problemas comunes y mejores prácticas de mantenimiento

Los economizadores son equipos confiables y efectivos siempre que se adapten adecuadamente al sistema de caldera. Hay algunos modos de falla que pueden desarrollarse a medida que se utiliza el economizador y necesitan mantenimiento regular, lo que puede permitir que la planta evite un costoso reemplazo de tubos o un tiempo de inactividad no planificado.

Corrosión del punto de rocío ácido

Cuando la tasa de calor de los gases de combustión cae por debajo del punto de rocío del ácido, se produce la formación de ácido sulfúrico o carbónico en los tubos del economizador. Este es un modo importante de falla de un tubo externo para un economizador que utiliza petróleo o materias primas de combustible con alto contenido de azufre, lo que hace que los tubos del economizador se deterioren. La combustión de gas natural produce un potencial de corrosión del ácido carbónico por debajo del punto de rocío del vapor de agua, pero a un nivel de magnitud mucho menor.

Prevención: mantener temperaturas mínimas de salida de los gases de combustión por encima del punto de rocío para economizadores sin condensación. Para economizadores de condensación, instale aleaciones resistentes a la corrosión y utilice sistemas de neutralización de condensado.

Picaduras de oxígeno (junto al agua)

La mala eliminación de oxígeno en el agua de alimentación de la caldera provoca daños localizados por picaduras en el interior de los tubos del economizador, lo que provoca perforaciones con el tiempo. El modo primario de corrosión junto al agua en los conjuntos de economizadores se puede evitar mediante una desaireación adecuada y la eliminación química de oxígeno según lo define el programa de tratamiento del agua de alimentación.

Incrustaciones de hollín y pérdida de calor (junto al fuego)

La acumulación de hollín y cenizas en las superficies de las aletas aplica una capa aislante al escape de la caldera y es un síntoma clásico de que la eficiencia del economizador está disminuyendo. Para evitar una reducción de la eficiencia, la superficie de transferencia de calor debe soplarse regularmente con hollín, ya sea mecánicamente o con vapor. Una caída de temperatura que aumenta gradualmente a través del economizador es probablemente el primer síntoma de que existe un problema de incrustación y debe corregirse tempranamente.

Recuperación del calor residual: por qué combinar un economizador con su caldera de tubo de agua SZS

Las calderas acuotubulares son particularmente compatibles con el uso de economizadores debido a su mayor temperatura de funcionamiento de los gases de escape y su mayor presión de funcionamiento existente que los estilos de tubos cortafuegos. La serie de calderas acuotubulares tipo SZS D fabricadas por Taiguo Boiler, con su rango de eficiencia neta de 92-98%, ya está operando con éxito algunos de los combustibles de gas y petróleo con mayor eficiencia energética caldera de vapor sistemas en el planeta; Cuando se adapta a una caldera SZS, la instalación de un economizador diseñado para recuperar el calor residual puede aumentar la eficiencia de una planta ya eficaz en un 5-8% adicional.

La serie SZS tiene un rango de salida que se extiende de 2 a 100 t/h, y cada caldera puede estar provista de un economizador integrado para recuperar el calor residual de los gases calientes sin causar problemas de contrapresión ni condensación en las superficies de acero al carbono. Para materias primas alimentadas con gas natural, un economizador instalado en una caldera SZS también puede alcanzar niveles de eficiencia superiores a 95% -on, alguna aplicación real para ahorrar energía en operaciones de alto rendimiento.

Nuestro departamento de ingeniería puede proporcionar cálculos de tamaño de economizadores como parte de los servicios normales de cotización de calderas. Podemos hacer coincidir el área de la superficie de transferencia de calor y la configuración del serpentín con su carga real, el combustible real elegido y la temperatura del agua de alimentación, de modo que obtenga el economizador adecuado para su planta, no una suposición estándar disponible en el mercado.

Solicite una cotización de tamaño de economizador

Preguntas frecuentes