HORNOS DE CARBÓN PULVERIZADO

El carbón pulverizado (combustible pulverizado-pf) se ha encendido en hornos rotatorios de cemento (ver Hornos) y en hornos de caldera (ver Calderas). Estos últimos son básicamente cajas forradas con tubos en los que se evapora el agua y contienen una mezcla de agua y vapor. El carbón se pulveriza hasta convertirlo en un polvo fino, normalmente de forma que el 70% tenga un tamaño inferior a unos 75 μm, antes de ser transportado por una parte de la corriente de aire de combustión hasta los quemadores. Estos quemadores de carbón suelen estar montados en una pared vertical, en dos paredes verticales opuestas o agrupados uno encima de otro en las cuatro esquinas del horno (ver Figura 1 y Figura 2). Los quemadores de las esquinas disparan tangencialmente hacia el interior del horno dando lugar a una única bola de llamas en un vórtice central. Dryden (1975) y Lawn (1987) han analizado otros diseños, por ejemplo, el uso de combustión descendente para carbones poco volátiles y quemadores para carbones de baja calidad y alta humedad.

En todos los hornos descritos hasta ahora la ceniza seca caliente cae al «fondo seco» de la cámara del horno donde se elimina. La excepción es en las calderas de ciclón, que suelen ser de dos tipos. En los hornos de ciclón verticales, una variante del diseño de combustión tangencial, las partículas de carbón más grandes se centrifugan fuera del flujo de gas para quemarse en las paredes revestidas de refractario de la parte inferior de la cámara, y la escoria sale por la cámara de «fondo húmedo». El otro tipo de horno ciclónico utiliza cámaras individuales cilíndricas revestidas de refractario en las que el carbón arde para dar lugar a gases calientes, que se expulsan al horno principal (véanse las referencias anteriores).

Los grandes hornos pf tienen una entrada de combustible de unas 200 toneladas por hora de carbón (para proporcionar una carga eléctrica de 500 MW) y son típicas las cámaras de 35 m de altura con una sección transversal de unos 300 m2. El diseñador del horno tiene que asegurarse de que se transfiere la cantidad adecuada de calor de las llamas a los tubos de la pared para evaporar la cantidad deseada de agua y seguir teniendo la temperatura correcta del gas a la salida del horno. Esto debe hacerse sin que ningún flujo de calor local excesivo dañe los tubos, mientras que al mismo tiempo debe lograrse una combustión completa de las partículas de carbón. También hay que tener en cuenta que los contaminantes, por ejemplo, los óxidos de nitrógeno, deben reducirse al mínimo.

Uno de los problemas específicos de los hornos de carbón es la acumulación de cenizas o escorias en las paredes del horno, lo que provoca cambios en la temperatura y la emisividad. Raask (1985) se ha ocupado extensamente de los depósitos de ceniza y escoria en las paredes del horno y de las propiedades de transferencia de calor de los depósitos de la caldera. También describe las medidas para combatir la suciedad en las calderas (por ejemplo, la limpieza y mezcla del carbón, la instalación de sopladores de hollín y chorros de agua). Godridge y Read (1976) han comunicado datos sobre el rendimiento de la combustión (normalmente superior al 98%), temperaturas de los gases de salida de la caldera de entre unos 1.300 K y 1.600 K y flujos de calor medidos de hasta unos 320 KWm-2 (que aumentan aproximadamente un 10% tras el soplado de hollín) en grandes instalaciones de combustión de pf.

Los diseñadores de calderas utilizan modelos físicos y/o matemáticos (véase Hornos). Estos últimos utilizan balances térmicos o la Dinámica de Fluidos Computacional, CFD. En el primer método, el horno se divide en regiones o zonas, véase Hottel y Sarofim (1967) y Field et al. (1967), y Cooper y Gibb (1984) han descrito una aplicación específica a un horno de combustión de pf, utilizando también un modelo físico para proporcionar información sobre la transferencia de masa. El método CFD se basa en la solución por diferencias finitas de las ecuaciones de conservación de momento, entalpía y especies. Boyson et al. (1986) informaron de la aplicación del método a las cámaras de combustión ciclónicas alimentadas con carbón.

Figura 2. Tubos murales y aberturas del quemador en una caldera-horno acuotubular de FP en construcción. (Reproducida con permiso de PowerGen.)