Cómo reducen los economizadores de caldera el consumo energético y los costes de combustible

Cómo reducen los economizadores de caldera el consumo energético y los costes de combustible

Todas las calderas industriales expulsan directamente por la chimenea un porcentaje de la energía del combustible en forma de gases de combustión calientes. En muchas instalaciones industriales, esa energía sobrante representa el 10-15% del aporte total de combustible. Un economizador de caldera o una unidad de recuperación de calor de los gases de combustión aprovecha esa energía residual y la transfiere al agua de alimentación antes de que entre en el calderín de la caldera. El resultado es un menor consumo de combustible por cada libra de vapor, temperaturas de chimenea más bajas y una reducción cuantificable de los costes operativos. En esta sección se explican el funcionamiento de los economizadores de caldera, las diferencias entre los modelos de condensación y sin condensación, el ahorro de combustible observado en las pruebas del U.S. Department of Energy, los criterios de dimensionamiento, los problemas habituales de mantenimiento y cómo puede aprovecharse un economizador en sistemas de calderas de vapor acuotubulares para lograr una recuperación de calor óptima.

¿Qué es un economizador de caldera y cómo funciona?

Un economizador de caldera es sencillamente un intercambiador de calor situado en el conducto de gases de escape, entre el cabezal de la caldera y la chimenea. Los gases de escape calientes atraviesan la cámara de combustión y pasan junto a una serie de tubos aleteados por los que circula el agua de alimentación entrante, transfiriéndole energía térmica para calentarla antes de que llegue al calderín de la caldera. La transferencia de calor se produce cuando el economizador o intercambiador de calor de los gases de combustión enfría estos gases desde una temperatura elevada hasta una temperatura de salida inferior, mejorando su estado antes de que entren en la caldera. Como la caldera recibe ahora agua de alimentación más caliente, se necesita menos energía del combustible para elevarla por encima de la temperatura de ebullición y convertirla en vapor. En las centrales eléctricas con sistemas de turbinas, los economizadores también ayudan a estabilizar las condiciones del agua de alimentación antes de la sección del sobrecalentador, de forma similar a como un HRSG recupera la entalpía de los gases de escape en configuraciones de ciclo combinado. La recuperación de calor depende de la diferencia de temperatura entre los gases de escape (350-600F, según el tipo de caldera y la carga) y el agua de alimentación entrante (a menudo 180-230F). Cuanto mayor sea esta diferencia, mayor será la energía recuperable. En una instalación habitual con una caldera de vapor alimentada con gas, el economizador se instala entre el último paso de la caldera y la chimenea, ya sea directamente sobre la brida de salida de la caldera o como unidad independiente en el conducto.

Tipos de economizadores de caldera: sin condensación y de condensación

Los economizadores de caldera se dividen en dos tipos generales según el grado de enfriamiento de los gases de escape. Elegir uno u otro influye en el potencial de enfriamiento y en los requisitos para gestionar el condensado corrosivo.

Economizadores sin condensación (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 250F para la combustión de gas natural. Esto limita la condensación de humedad sobre la superficie de transferencia de calor del conducto de escape y elimina los problemas de corrosión ácida. Estos economizadores reducen la temperatura de salida de los gases de la chimenea entre 100-150F más que una caldera sin este equipo, pero nunca por debajo de la zona segura situada sobre el punto de rocío. Es adecuada una construcción estándar de acero al carbono o hierro fundido. Estas unidades elevan la temperatura del agua de alimentación entre 20-30F y permiten ahorrar un 3-5% de combustible en la mayoría de los procesos con calderas industriales.

Economizadores de condensación

Un economizador de condensación está diseñado para enfriar los gases de combustión por debajo del punto de rocío (aproximadamente 135F para los productos de la combustión de gas natural, según la DOE Steam Tip Sheet #26A). Cuando las unidades descienden por debajo de este nivel, el vapor de agua presente en los gases de escape comienza a condensarse y libera el calor latente que, de otro modo, saldría por la chimenea de la caldera. La recuperación de este calor latente aumenta la eficiencia total más que la recuperación de calor sensible por sí sola. Como contrapartida, los economizadores de condensación deben utilizar metales resistentes a la corrosión. Entre las soluciones habituales se incluyen superficies con aletas de aluminio sobre tubos de acero inoxidable, ya que el agua de enjuague procedente del condensado ligeramente ácido de los gases de combustión puede circular sin causar daños. El condensado recogido es ligeramente ácido (pH 3-4) y debe neutralizarse y evacuarse. En las calderas alimentadas con fuelóleo, cuyo combustible contiene una mayor proporción de azufre, el punto de rocío ácido será aún más elevado (hasta 275-300F). Por tanto, los diseños sin condensación son la mejor opción, salvo que se disponga de tubos de aleación para el serpentín del economizador capaces de resistir el ácido sulfúrico.

¿Cuánto combustible puede ahorrar un economizador de caldera?

Según la U.S. Department of Energy Steam Tip Sheet #3, un economizador de agua de alimentación puede reducir el consumo de combustible entre un 5% y un 10% y se amortiza, de media, en un plazo de 2 años. Por cada descenso de 40F en los gases de combustión, la eficiencia de la caldera aumenta aproximadamente un 1%. Veamos una situación real: una caldera de vapor de 20 t/h alimentada con gas consumirá unos $1.4 M anuales en combustible si funciona 8,000 h/año y el precio del gas natural es de $8/MMBtu. Con esa cantidad de energía, una reducción aproximada del 6% en el consumo de combustible mediante un economizador supone un ahorro cercano a $84,000 al año en costes energéticos. Para este tamaño, adaptar un economizador de condensación cuesta aproximadamente entre $80,000 y $150,000, con una amortización de 2 años o menos según los criterios del DOE. Los resultados mejoran con un economizador de condensación. Como muestra la DOE Steam Tip Sheet #26A, un economizador de condensación equipado con una demanda térmica a baja temperatura puede lograr una mejora de hasta el 20% en el consumo energético al recuperar tanto el calor sensible como el latente. Según los valores de referencia del DOE, las candidatas ideales para incorporar un economizador son las calderas de más de 100 caballos de caldera que trabajan por encima de 75 psig y soportan una proporción muy elevada de carga durante todo el año. Las calderas que funcionan a carga parcial o por temporadas ofrecen un menor potencial, porque por ellas circula mucho menos calor residual procedente de los gases de escape y apenas merece la pena recuperar la pérdida de calor por la chimenea.

Dimensionamiento e instalación: factores clave para su sala de calderas

Dimensionar correctamente un economizador para la chimenea de una caldera no consiste en elegir una unidad que coincida con la capacidad nominal. Existe todo un conjunto de factores que influyen en el tamaño de las superficies de transferencia de calor, su ubicación en la sala de calderas y la elección de los materiales.

• ✔ Caudal y temperatura de los gases de combustión — Un mayor volumen y una temperatura más alta de los gases de escape implican más calor recuperable. Mida las temperaturas reales de la chimenea con carga normal, no solo los valores nominales.
• ✔ Temperatura del agua de alimentación a la entrada del economizador — Cuanto menor sea la temperatura del agua de alimentación entrante, mayores serán 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 la diferencia aprovechable.
• ✔ Tipo de combustible y contenido de azufre — El gas natural tiene un punto de rocío ácido bajo (~135°F), lo que deja más margen para enfriar los gases calientes. En los sistemas alimentados con fuelóleo, el mayor contenido de azufre eleva el punto de rocío ácido hasta 275–300°F, lo que limita cuánto puede reducirse la temperatura de la chimenea.
• ✔ Espacio disponible — Los economizadores añaden altura o longitud al recorrido de los gases de escape. Antes de realizar el pedido, mida la holgura entre la salida de la caldera y la chimenea o el paso a través de la cubierta.
• ✔ Límites de contrapresión — Añadir un economizador aumenta la resistencia al paso de los gases de combustión. Compruebe que el ventilador de tiro inducido (o el tiro natural) pueda asumir la caída de presión adicional sin reducir el caudal de aire de combustión.
• ✔ Caldera acuotubular o pirotubular — Las calderas acuotubulares (como la SZS de tipo D) suelen generar gases de escape a mayor temperatura y trabajar a presiones más elevadas, por lo que son excelentes candidatas para incorporar un economizador. Las unidades pirotubulares que funcionan a presiones más bajas pueden obtener menos ventajas, según su perfil de carga.

Problemas habituales y buenas prácticas de mantenimiento

Los economizadores son equipos fiables y eficientes siempre que estén correctamente adaptados al sistema de calderas. Durante el uso del economizador pueden aparecer determinados tipos de fallo que requieren mantenimiento periódico, lo que permite a la instalación industrial evitar una costosa sustitución de tubos o una parada imprevista.

Corrosión por el punto de rocío ácido

Cuando el nivel térmico de los gases de combustión desciende por debajo del punto de rocío ácido, se forma ácido sulfúrico o carbónico en los tubos del economizador. Este es uno de los principales tipos de fallo de la superficie exterior de los tubos en los economizadores que utilizan aceite o combustibles con alto contenido de azufre, y provoca el deterioro de dichos tubos. La combustión de gas natural puede causar corrosión por ácido carbónico por debajo del punto de rocío del vapor de agua, aunque con una intensidad muy inferior. Prevención: en los economizadores sin condensación, mantenga las temperaturas mínimas de salida de los gases de combustión por encima del punto de rocío. En los economizadores de condensación, instale aleaciones resistentes a la corrosión y utilice sistemas de neutralización del condensado.

Corrosión por picaduras de oxígeno (lado del agua)

Una eliminación deficiente del oxígeno del agua de alimentación de la caldera provoca picaduras localizadas en el interior de los tubos del economizador, que terminan perforándolos con el tiempo. El principal tipo de corrosión en el lado del agua de los conjuntos economizadores puede evitarse mediante una desaireación adecuada y la eliminación química del oxígeno conforme a lo establecido en el programa de tratamiento del agua de alimentación.

Ensuciamiento por hollín y pérdida de calor (lado de los gases)

La acumulación de hollín y cenizas en las superficies de las aletas crea una capa aislante frente a los gases de escape de la caldera y constituye un síntoma clásico de que la eficiencia del economizador está disminuyendo. Para evitar esta reducción de la eficiencia, la superficie de transferencia de calor debe limpiarse periódicamente mediante soplado de hollín, ya sea mecánicamente o con vapor. Un aumento gradual del descenso de temperatura a través del economizador es probablemente el primer indicio de un problema de ensuciamiento y debe corregirse cuanto antes.

Recuperación del calor residual: por qué combinar un economizador con su caldera acuotubular SZS

Las calderas acuotubulares son especialmente compatibles con los economizadores debido a que sus gases de escape alcanzan temperaturas de funcionamiento más altas y trabajan a presiones superiores a las de los modelos pirotubulares. La serie de calderas acuotubulares SZS de tipo D fabricada por Taiguo Boiler, con un intervalo de eficiencia neta del 92-98%, ya se utiliza con éxito en algunos de los sistemas de calderas de vapor alimentados con gas y fuelóleo más eficientes energéticamente del planeta; si se incorpora a una caldera SZS, un economizador diseñado para recuperar el calor residual puede aumentar la eficiencia de una instalación que ya es eficiente en otro 5-8%. La serie SZS ofrece un intervalo de producción de 2-100 t/h, y cada caldera puede suministrarse con un economizador integrado que recupera el calor residual de los gases calientes sin provocar problemas de contrapresión ni condensación sobre las superficies de acero al carbono. Con gas natural como combustible, un economizador instalado en una caldera SZS también puede alcanzar niveles de eficiencia superiores al 95%, una aplicación real que permite ahorrar energía en operaciones de gran producción. Nuestro departamento de ingeniería puede proporcionar cálculos de dimensionamiento del economizador como parte de los servicios habituales de elaboración de presupuestos de calderas. Podemos adaptar la superficie de transferencia de calor y la configuración del serpentín a su carga real, al combustible elegido y a la temperatura del agua de alimentación, para que obtenga el economizador adecuado para su instalación industrial y no una solución estándar elegida al azar.

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