Los calentadores a fuego, como su nombre lo especifica, son obviamente calentadores u hornos. Son equipos utilizados en instalaciones de procesamiento (refinerías, centrales eléctricas, complejos petroquímicos, etc.) para calentar fluidos hasta la temperatura deseada. Por lo tanto, el propósito principal de los calentadores a fuego es elevar la temperatura del fluido de proceso que fluye a través de los tubos. La energía térmica es suministrada por la combustión de combustibles. Estos caen en el grupo estático o estacionario de equipos mecánicos y están diseñados en base al estándar API 560. Hoy estudiaremos los detalles sobre los calentadores a fuego, sus componentes, tipos, características de construcción y requisitos de mantenimiento. ¡Vamos a sumergirnos en el artículo!
¿Dónde se utilizan los calentadores de fuego?
Los calentadores a fuego encuentran amplias aplicaciones en industrias químicas como refinerías, industrias petroquímicas y químicas, unidades de procesamiento de gas, plantas de amoníaco, plantas de olefinas, plantas de fertilizantes, etc. Se denominan precalentadores de alimentación, hornos de craqueo, calentadores de fraccionadores, calentadores de reforma de vapor, calentadores de crudo etc.
¿Cómo funciona un calentador de fuego?
Calentador de fuego funciona por transferencia de calor directa del producto de la combustión de combustibles. La temperatura máxima de llama del hidrocarburo quemado con aire estequiométrico es de aproximadamente 3500ᵒF (1926ᵒC). Básicamente, esta energía térmica se libera al quemar combustibles en un espacio abierto y se transfiere a los fluidos dentro de los tubos que se extienden a lo largo de las paredes y los techos de la cámara de combustión.
¿Cuáles son los diferentes modos de transferencia de calor en un calentador o horno encendido?
Hay diferentes modos de transferencia de calor que se producen en los calentadores de fuego. El calor se transfiere por radiación directa, convección y también por reflexión de las paredes refractarias que recubren la cámara. Estas zonas se identifican en un calentador típico como el de la Fig-1. En la zona radiante, el calor se transfiere predominantemente (alrededor del 90%) por radiación. La zona de convección está “fuera de la vista” de los quemadores; aunque parte de la transferencia de calor ocurre por radiación porque la temperatura aún es lo suficientemente alta, la mayor parte de la transferencia aquí es por modo de convección. La sección de escudo es el nombre que se le da a las dos primeras filas que conducen a la sección de convección.
Componentes de un calentador a fuego
Un calefactor a fuego consta de:
- Caja
- tubos
- Curvas de retorno
- Soportes de tubo
- Quemadores
- APH/SAPH
- Ventiladores ID y FD
- Piloto
- Zona radiante, de escudo y de convección
- Conducto
- Apagador
- Pila
- Refractario
- Louvers /Registros de aire
¿Qué es un quemador piloto?
Un quemador piloto es una pequeña luz que tiene una pequeña llama de gas natural o GLP que actúa como fuente de ignición del quemador principal. Por lo tanto, el quemador piloto siempre se mantiene encendido para un funcionamiento ininterrumpido del calentador. El quemador piloto debe tener una liberación de calor mínima de unas 10.000 kcal/h. La longitud de la llama de un piloto debe ser de un mínimo de 150 mm y estable.
¿Qué es un quemador?
El quemador es un dispositivo que introduce combustible y aire en la cámara de combustión en la proporción, la velocidad y las concentraciones deseadas para mantener una combustión adecuada. Se clasifica por el tipo de combustible quemado. Normalmente está diseñado para proporcionar el 120 % de su liberación normal de calor en condiciones máximas.
¿Qué es un amortiguador?
El amortiguador es un dispositivo para introducir una resistencia variable para controlar el flujo de gas de combustión o aire. El papel de la compuerta de chimenea es muy importante en la operación del calentador de fuego para el control de tiro, pero desafortunadamente, se presta poca atención al diseño de la compuerta. La mayoría de las compuertas se dejan abiertas en el calentador de fuego, muy pocas de ellas funcionaron correctamente. Pero el diseño adecuado de los amortiguadores puede ahorrar energía. La compuerta debe cerrarse para reducir el oxígeno en el gas combustible, aumentar la temperatura de la cámara de combustión, reducir la temperatura de la chimenea y reducir el tiro en la sección radiante.
¿Qué es una pila?
Chimenea es la tubería vertical a través de la cual el gas quemado o el gas de combustión se ventea a la atmósfera. A menudo se le llama chimenea. Ayuda a la ventilación y al ingreso de aire al calentador de fuego en función de la flotabilidad que se genera debido a la diferencia de densidad. Todos sabemos que la densidad del aire depende de la temperatura del aire. La velocidad del gas de combustión a través de la chimenea se mantiene entre 25 y 40 pies/seg. Las pilas están hechas en su mayoría de placas de acero de un mínimo de 6 mm de espesor y revestidas con moldeado aislante de 50 mm. En la parte superior de la chimenea, la presión absoluta debe ser de 2,5 mm CA por debajo de la atmósfera para mantener el calentador con tiro negativo.
¿Qué son los refractarios?
Como la alta temperatura se genera dentro del calentador, es necesario evitar que el ambiente se exponga a altas temperaturas. Para ello se utilizan refractarios que es un material resistente a la descomposición por altas temperaturas. Los revestimientos de la sección radiante están expuestos a una temperatura de la cámara de combustión de más de 1000 °C y, por lo tanto, materiales refractarios aislantes de alta calidad para tolerar altas temperaturas. Las secciones de convección están revestidas con una manta moldeable. Las pérdidas de calor se mantienen entre 1,5% y 3%.
Tipos de calentadores encendidos con diferentes arreglos de bobinas
Según la disposición de los bancos de tubos y las cámaras de combustión, existen varios tipos de calentadores a fuego que se utilizan en las industrias. Algunos de los tipos comunes de calentadores a fuego son
- Calentador tipo A-Box con serpentín de árbol
- Calefactor tipo D-Box con serpentín de tubo vertical
- Tipo E-Calentador cilíndrico con serpentín vertical
- Calefactor tipo F-Box con serpentín de tubo horizontal
Las desventajas de los tipos verticales de tubos radiantes son su dificultad para reemplazarlos debido a que hay menos espacio entre la pared y el tubo.
Los tubos radiantes de tipo horizontal se pueden soldar fuera de la cámara de combustión del calentador debido a que hay más espacio disponible en los codos/tapones del cabezal de retorno.
Características de construcción de los calentadores a fuego
Carcasa del calentador disparado:
La placa de metal se utiliza para encerrar el calentador encendido. Normalmente se utilizan placas CS de 6 mm de espesor como material de revestimiento. Temperatura de diseño de la carcasa Exterior 82 C, suelo radiante – 91 C. Máx. La temperatura que CS puede soportar es de 440 grados C, sin embargo, la oxidación comienza a los 270 grados centígrados.
La falla del revestimiento refractario interno provoca el sobrecalentamiento de la carcasa de acero subyacente. Esto será revelado por puntos calientes locales.
Para evitar más daños en la placa de la carcasa
- Aplicar aire
- aplicar vapor
- En caso extremo poner agua
- Coloque una placa de revestimiento adicional con revestimiento refractario sobre el área del punto caliente.
Sección radiante de un calentador a fuego:
La parte del calentador en la que el calor se transfiere a los tubos principalmente por radiación se conoce como sección radiante.
Sección de convección:
La parte del calentador en la que el calor se transfiere a los tubos principalmente por convección.
Pared del puente:
La sección separa la sección radiante y la de convección. La temperatura de los gases de combustión que salen de la sección de radiación se denomina pared del puente.
Arco:
Una porción plana o inclinada de la sección radiante del calefactor opuesta al piso.
Bobinas radiantes:
Los serpentines radiantes están ubicados en la sección radiante del horno donde el calor se extrae de la llama, los gases de combustión a alta temperatura y el refractario caliente.
Los tubos radiantes pueden ser verticales u horizontales dependiendo de la construcción del horno.
Componentes principales/Secciones de un calentador a fuego
Sección de convección:
Batería de serpentines que reciben el calor de los humos calientes principalmente por convección.
- Los tubos con aletas/tachuelas se utilizan a menudo en serpentines de convección debido a las bajas temperaturas de los gases de combustión. Los tubos con aletas (tira de 1,3 mm de espesor, 200 vueltas/metro) son difíciles de limpiar en comparación con los tachonados (12,7 mm de diámetro)
- La tasa de absorción de calor tiende a ser alta en la entrada de la sección de convección en los calentadores, donde la sección de convección está justo encima de la sección radiante. Los tubos de esta sección se denominan tubos de choque/protección. Normalmente, las dos primeras filas absorben la mitad de su calor en esta sección.
- Consiste en una placa de soporte de tubo grande ubicada en la sección de convección y soporta la cantidad de Los soportes finales y los soportes intermedios suelen ser aceros de baja aleación.
- Reemplazar/reparar la hoja de soporte del tubo de convección es difícil y requiere la eliminación de todas las bobinas de convección o es necesario bajar todo el módulo.
- Las láminas de soporte del tubo son 25 cr-20 Ni o 50 cr -50 ni MOC.
Encabezado de enchufe:
Una curva, provista de una o más aberturas con el propósito de inspección, medición inicial del coque antes de la limpieza.
- Asegúrese de una despresurización adecuada antes de abrir el tapón.
- Asegúrese de que la marca de flecha se mantenga en el tapón para asegurarse de que la tuerca del tapón esté guiando
- Después de la reparación/reemplazo del tapón, se recomienda realizar una prueba hidráulica del paso de la bobina.
Soportes internos del tubo del calentador a fuego:
- Los soportes de tubo son dispositivos metálicos que soportan el peso del
- La guía de tubos se utiliza para dirigir el movimiento de los tubos en una dirección particular.
- Estos son elementos metálicos capaces de soportar altas temperaturas que se utilizan para evitar que los tubos se comben, se arqueen, se pandeen o se balanceen.
- Los soportes de los tubos son más propensos a la oxidación a alta temperatura y a la corrosión por cenizas de combustible.
- Los tubos de techo horizontales de los calefactores tipo caja se sostienen mediante colgadores
- Los soportes de los tubos deben estar perfectamente alineados en una línea recta.
- Prohibido el uso de rellenos de cualquier tipo.
- Garantizar el perfecto contacto entre soportes y tubos.
- Las bobinas descansarán uniformemente sobre todos los soportes.
- La falla de los soportes de los tubos puede ocurrir debido a la sobrecarga mecánica causada por el arqueamiento de los tubos, la pérdida de resistencia de los soportes y la vibración de los tubos.
- El soporte del tubo, los soportes colgantes y las guías deben examinarse en busca de grietas, oxidación, secciones faltantes y pernos faltantes, rotos u oxidados.
Problemas comunes asociados con los tubos del calentador a fuego
Estos son algunos problemas comunes asociados con los tubos calentadores quemados:
- Los tubos están diseñados para una vida útil aproximada de 1 año: 100 000 horas.
- Distorsión del tubo: puntos calientes, flacidez, arqueamiento, contacto con los tubos.
- Superficie del tubo: picaduras, incrustaciones, evidencia de sobrecalentamiento.
- Observe y controle la temperatura de la piel, compare la vida residual del tubo.
Limpieza de tubos de calentadores a fuego
- Generalmente, los tubos se limpian manualmente haciendo andamios en el interior del calentador.
- Asegúrese de que todas las puntas de los quemadores estén cubiertas durante la limpieza.
- Asegúrese de que los ladrillos refractarios estén cubiertos para evitar la entrada de partículas extrañas entre los ladrillos para permitir la expansión del refractario durante la operación.
- Asegúrese de que no se dañe el refractario mientras hace andamios.
Pruebas hidráulicas de las bobinas del calentador encendido
- La prueba hidráulica se realiza cuando se instala el nuevo serpentín o se repara el serpentín.
- Los serpentines se someterán a pruebas hidrostáticas, se drenarán completamente después de completar la prueba y se drenarán soplando aire comprimido para evitar martillazos y
- Durante la prueba hidráulica debido a las curvas de retorno y las diferencias de elevación, se debe tener el cuidado adecuado para ventilar el aire.
Pila
- Acero cilíndrico, una carcasa aislada que transporta los gases de combustión a la atmósfera y proporciona el tiro necesario. Las chimeneas se inspeccionarán externamente en busca de puntos calientes y corrosión externa. Compruebe si existe alguna vibración inusual de la pila.
Quemadores de un calentador a fuego
- Quemador: introduce combustible y aire en el calentador a las velocidades, turbulencia y concentración deseadas para establecer y mantener una ignición y una combustión adecuadas.
- Piloto: Un quemador más pequeño que proporciona energía de ignición para encender el quemador principal.
- Plenum o caja de viento: Cámara que rodea los quemadores y que sirve para distribuir aire a los quemadores o reducir el ruido de la combustión.
¿Qué es el tiro del calentador a fuego?
Un tiro es el diferencial de presión que persiste entre el aire/gas combustible en la cámara de combustión y el aire atmosférico. La corriente de aire se debe a la diferencia de densidad entre el gas combustible caliente y el aire ambiente.
Se debe mantener un tiro negativo en cada parte del calentador de fuego para que no se escape el gas combustible caliente. La lectura de tiro en el medio del calefactor se usa para controlar el tiro y el exceso de aire. Se requiere una corriente de aire del calentador para extraer los gases combustibles del calentador.
¿Cómo se genera el borrador?
El borrador se puede crear por los siguientes medios,
- Abra completamente la compuerta y cierre las persianas.
- Purga abierta/expulsión de vapor
- Cortar el flujo de vapor.
- Cierre el amortiguador según el requisito de calado.
Perfil de tiro a través del horno del calentador encendido
En la imagen de arriba,
- (SE)r es el efecto Stack en la sección radiante
- (SE)c es el efecto de chimenea en la sección de convección &
- (SE)s es el efecto de pila en la pila
Esquema de control de tiro y exceso de aire:
El calado y el aire están estrechamente vinculados entre sí y deberían actuar juntos. El objetivo principal debe ser lograr un nivel de aire óptimo para la combustión completa del combustible.
Calentador de fuego de tiro natural:
En este tipo de calentador, se inyecta gas combustible o aire en el calentador usando presión atmosférica y el gas quemado se ventila a través de la chimenea. No se utilizan medios externos. Esto sucede debido a las diferencias de densidad ya que los gases calientes tienen una densidad más baja que el aire atmosférico normal.
Calentador de fuego Force Draft:
En este tipo de calentador, el gas combustible o el aire se introducen en el calentador por medio de un medio externo como un ventilador. A menudo se le llama ventilador FD, proporciona aire o gas combustible. El ventilador FD se instala antes del calefactor.
Calentador de fuego de tiro inducido:
En este tipo, el ventilador del calentador a fuego se instala sobre el calentador para que pueda inducir aire a través de la cámara de combustión hacia el quemador. Este ventilador genera una corriente negativa que expulsa el aire quemado a través del sistema de ventilación.
Ventaja de usar Force draft:
El sistema de tiro forzado requiere un nivel más bajo de exceso de oxígeno. La llama se vuelve estable y se requiere un tamaño pequeño del quemador. El ventilador FD mantiene una proporción óptima de aire a gas combustible.
¿Qué es la temperatura de la pared del puente?
Es la temperatura del gas de combustión que se genera debido a la combustión del gas combustible en la sección radiante y entra en la sección de convección. La tasa de transferencia de calor en la sección de convección se rige por la temperatura de la pared del puente. Debe estar en el rango de 760-900ᵒC.
¿Por qué se utiliza vapor de extinción en calentadores de fuego ?
El propósito principal del uso de vapor de extinción es sofocar el fuego no deseado (que puede causar una fuga en el tubo) excluyendo la entrada de aire o evitando que el combustible potencial se exponga al aire, además de que se lleva el calor hasta cierto punto. La cantidad de aspiración se puede basar en el requisito de 8 lb/h por pie cúbico de volumen del horno. Normalmente se utiliza vapor LP para este propósito. Durante la puesta en marcha del funcionamiento del calentador, también se utiliza vapor de extinción para eliminar el gas combustible y el exceso de aire, así como para crear una corriente de aire negativa.
¿Qué es el puffing?
En realidad, indica una gran vibración de los hornos. Si un quemador está seriamente fuera del fuego, abrir el control de aire sin reducir la tasa de encendido puede causar una situación peligrosa llamada soplado. Para evitar tal escenario, primero disminuya la velocidad de disparo y luego ajuste las rejillas de ventilación .
Puesta en marcha de calentadores a fuego
- Asegúrese de que todos los servicios públicos se suministren según los requisitos.
- Asegúrese de que todos los instrumentos y dispositivos de seguridad estén en funcionamiento.
- Asegurar el combustible para el quemador con suficiente presión de funcionamiento.
- Purgue el gas combustible dentro del calefactor apagando el vapor para generar una corriente negativa de -5 a -15 mmH2O en la sección radiante. Esto se hace cerrando completamente las persianas y abriendo completamente la compuerta de chimenea.
- Encienda el quemador piloto y luego los quemadores principales.
- Compruebe la concentración de O2 en los gases de combustión y el tiro del calentador.
- Rampa de elevación de la temperatura del fluido del proceso a 30-50 C/h para evitar el sobreencendido.
- Una vez que el horno se haya llevado al estado estable, cambie el modo de control de Manual a Automático.
Esquema de control del calentador a fuego
La siguiente imagen muestra un esquema de control típico para calentadores a fuego.
Calentador de secado
Es una operación muy importante del calentador de fuego antes de la puesta en marcha del calentador de fuego después de un apagado prolongado o la puesta en marcha de un nuevo calentador de fuego. El secado del calentador generalmente se realiza para eliminar la humedad contenida en los refractarios, ya que los refractarios contienen una gran cantidad de humedad absorbida de la atmósfera. El aumento de la temperatura es muy importante ya que un aumento rápido de la temperatura puede dañar el revestimiento refractario y la contracción de la superficie. Consulte la siguiente figura que proporciona una curva de calentamiento para el secado del calentador.
Mantenimiento anual
- Inspección visual de los tubos antes de la limpieza
- Inspección después de la limpieza
- Control dimensional (OD de un tubo), espesor.
- Inspección visual de fugas en el tapón del cabezal
- Inspección – soportes de tubos, colgadores, etc.
- Inspección de conjuntos de quemadores
- Inspección de refractario
- Inspección de puertas de explosión.
- Amortiguadores externos, internos, varillajes de operación, etc.
Decoquización por Pigging
Debido a la exposición a altas temperaturas dentro del calentador de fuego, se deposita coque en el tubo, lo que puede provocar una reducción de la transferencia de calor y el tubo puede obstruirse. Por lo tanto, la cubierta es una operación necesaria que se realiza mediante el uso de cerdos de tamaño variable, métodos químicos y de combustión. En su mayoría, se prefiere la decoquización de cerdos sobre otro. Un raspador tiene un pasador tachonado uniformemente alrededor de su superficie que ayuda a eliminar los depósitos de carbón dentro de las paredes del tubo.
- Un nuevo método para descarbonizar los tubos es aplicar vapor y luego usar agua a presión para empujar tacos de espuma de poliestireno con pernos y gravilla en el exterior a través de los tubos y alrededor de las curvas en U (incluso las curvas en U con tapones de limpieza). Los cerdos raspan el coque sin rayar las paredes del tubo.
- El tamaño inadecuado del raspador puede dejar rasguños en las paredes del tubo, por lo que es necesario seleccionar el tamaño correcto del raspador.
- El pigging es más rápido que el descarbonizado con aire y vapor, y las refinerías generalmente tienen campañas más largas en el calentador en comparación con el descarbonizado con aire y vapor.
- El pigging no proporcionará choques de temperatura y, por lo tanto, se ha encontrado que el pigging es efectivo.
PIGGING – Unidad de Doble Bombeo
Configurar:
- La conexión se realiza a un par de pasos (serpentines) con tubería de flujo/retorno. Hay cuatro enlaces de tubería separados con el horno y la unidad de bombeo.
- Unidades de lanzadores/receptores completas con válvulas de bola de puerto completo para conectar a las bobinas horizontalmente.
- Garantice el acceso seguro a los lanzadores/receptores de cerdos.
- Los lanzadores/receptores cuentan con acoplamientos hammerlock para conectar tuberías flexibles.
Limpieza de Pigging:
Estos son algunos procedimientos para la limpieza de Pigging:
- Llenado de agua.
- Circulación de agua para la eliminación de hidrocarburos y escombros sueltos.
- Lanzamiento de cerdo de espuma de densidad especial
- Decoke cerdo selección para limpiar
- Aumente el tamaño del cerdo gradualmente.
- Pulido mediante el uso de cerdo de espuma con recubrimiento abrasivo de gran tamaño.
Relación aire-combustible
Es un factor importante para mantener en funcionamiento el calentador de fuego. Básicamente, es la relación de masa de aire a combustible presente en el proceso de combustión. Para controlar la contaminación del aire para cumplir con las normas reglamentarias, es un parámetro importante para medir y mantener. En condiciones ideales, el combustible se mezcla con el aire para realizar una combustión completa. Al final de la combustión no queda exceso de oxígeno ni combustibles sin quemar en la cámara de combustión, se denomina combustión estequiométrica. Pero en el escenario real, debe haber cierta cantidad de exceso de aire para asegurar la combustión completa del combustible. De lo contrario, se producen cantidades significativas de CO, lo que reduce la eficiencia y aumenta los niveles de contaminación.
Los efectos del exceso de combustible dan como resultado la pérdida de combustible, la producción de CO y causan humo denso, mientras que los efectos del exceso de aire dan como resultado una reducción de la temperatura y pérdidas excesivas de calor.
Solución de problemas de calentadores encendidos
| Problema | Razón | Recomendación |
| Alta temperatura de los gases de combustión | Ensuciamiento en la sección de convección Fuego quemado Sobrecalentamiento | Limpiar la sección de convección Reemplazar los tubos de convección Reducir el encendido |
| Alta presión de gas combustible | Los quemadores están tapados | Limpiar quemadores |
| Caída de alta presión en tubos | Formación de coque Alta tasa de vaporización | Descoquización de tubos Reducir el caudal |
| exceso de aire | Alto tiro del horno Mala mezcla de aire y combustible Fuga de aire en el horno | Reducir el tiro del horno Modificar los quemadores Tapar las fugas de aire |
| Retrospectiva de la llama | Presión de gas baja | Elevar la presión del gas combustible |
| Los quemadores se apagan | La mezcla de gases está demasiado diluida. | Reducir el aire. |
| Liberación de calor insuficiente | Bajo caudal de gas | Aumentar la presión de los gases |
¡Más recursos para ti!
Diseño y distribución
de tuberías Análisis de tensión de
tuberías Interfaz
de tuberías Material de
tuberías Software de diseño de tuberías
Referencias:
- https://www.klmtechgroup.com/PDF/EGD2/ENGINEERING_DESIGN_GUIDELINES_refinery_furnace_rev01web.pdf
- http://flownex.com/TestSite/images/OilGas/Fired%20Heater%20Design.pdf
