Familia de quemadores y combustión de hornos

Tres modelos diferentes de quemadores de petróleo pesado están disponibles, el modelo 300L, el 400L, y el 500L. 

Son tres generaciones diferentes de quemadores.  Todas requieren aire a alta presión para fracturar el petróleo en gotitas muy pequeñas, lo cual provee una combustión más efectiva.  Los quemadores también están diseñados para obtener una llama más pequeña y corta, la cual se mantiene dentro del puerto del quemador, evitando que calor por radiación llegue a los pellets.

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Challenge

La energía requerida para hornear los pellets en el horno de induración viene de dos fuentes.  La composición de los pellets provee gran parte del combustible, bien sea al añadir carbono al material de los pellets, o por la reacción exotérmica que viene del cambio de fase del mineral en el proceso de horneado (por ejemplo con mineral de magnetita).

 

En el proceso de rejilla recta móvil, la segunda fuente de calor viene del combustible fósil inyectado por quemadores en ambos lados del horno.  El combustible podría ser de formas diferentes, pero los más comunes son combustible líquido (petróleo liviano o más frecuentemente petróleo combustible pesado) o combustible gaseoso (gas natural o gas CO que viene de otros procesos de las instalaciones de fabricación de acero).

 

Metal 7 se concentró al principio sobre horneado con petróleo combustible pesado, lo cual al principio tenia sentido en vista de que todas las plantas peletizadoras Canadiense operaban con este combustible.  

 

Al final de la década de los 1980’s, la única tecnología de combustión y quemadores disponible para hornos de rejilla recta usando combustible líquido eran los quemadores atomizantes a baja presión.  Otros habían intentado usar quemadores atomizantes de alta presión, pero no habían sido exitosos.

Los quemadores a baja presión no son para nada eficientes.  Requieren un gran volumen de aire para su operación.  El aire enfría el tubo externo del quemador, lo cual atomiza el combustible en el horno y le da su forma a la llama.  Se ha dicho que también se requiere aire para propósitos de combustión, pero esto se podría cuestionar, ya que el horno de induración opera con exceso de aire y oxigeno.  El consumo de un gran volumen de este aire tiene un impacto negativo sobre el consumo energético del horno, ya que se requiere un volumen importante de energía sencillamente para calentar este aire frío.

Por otra parte, los quemadores de baja presión no siempre atomizan el petróleo de forma satisfactoria.  Sigue siendo gotas grandes, y es común ver petróleo sin quemar subir a la superficie del lecho de pellets, degradando la calidad de los pellets en las capas superiores del lecho.

La forma de la llama en los quemadores de baja presión  también es terrible.  No es estable, y es larga y muy grande.  Con este tecnología, es común ver una parte de la llama que sobresale del puerto del quemador.  Eso no es bueno.  Lo que se necesita es mantener la llama propiamente dicha lejos del lecho de pellets.  Los pellets tienen que ser horneados con gases calientes, con calor de convección, y no por el calor de radiación que emana de la llama.  Una llama larga y grande también tiene un efecto negativo sobre el material refractario en los puertos del quemador y las paredes/techo del horno.  La apariencia de puntos calientes en el horno, creado por daño al refractario es una causa importante de paradas del horno y la línea peletizadora.   Paradas frías se hacen necesarias para reparar el refractario, causando pérdidas importantes en la producción.

Metal 7 ha orientado su investigación al desarrollo que nuevos quemadores de petróleo que abordan todas los defectos que se encuentran con quemadores a baja presión.

Solution

Metal 7 introdujo su primera generación de quemadores en 1989, los quemadores de alta presión modelo 300L.  Por medio de esta tecnología de combustión/ quemadores, y el siguiente modelo 400, la compañía ha emergido como el líder en quemadores de petróleo de alta presión para procesos de induración de rejilla recta.  La mayoría de las plantas peletizadoras que usan petróleo como combustible han sido convertidos de los antiguos quemadores de baja presión, a los quemadores de alta presión de Metal 7.  En el año 2016, Metal 7 introdujo una innovación al lanzar su quemador modelo 500L, el  cual es una nueva actualización de las generaciones previas, y que consume aun menos aire para su operación.

 

Atributos de la tecnología de quemadores de Metal 7:

 

a- Usamos aire comprimido para la atomización, lo cual transforma el petróleo en gotitas sumamente finas.  Este tecnología de punta maximiza la eficiencia de la combustión, con menor consumo de petróleo por tonelada de pellets;

b- Reduce el consumo de aire frío, atomizando el combustible y enfriando el quemador.  Esta es una de las contribuciones principales de la tecnología de quemadores de Metal 7.  Entre menor la cantidad de aire frío que se alimenta al horno, mayor será la eficiencia energética del proceso de horneado de pellets.  La reducción del consumo de aire también es la diferencia principal entre el 300L y 400L, y entre el 400L y el nuevo 500L.

c- Hace precisamente lo que deberían hacer esos quemadores.  Produce una llama corta y angosta que calienta el aire que viene de los bajantes para llevarlo a la temperatura requerida para el proceso de horneado.  Los pellets no se exponen a la llama.  La forma de la llama también se optimiza para proteger el refractario en el puerto del quemador y el horno;

d- Diseño auto-limpiador de la boquilla de aspersiónproyección .  La coquización del petróleo en la punta de la boquilla es frecuente con otras tecnologías.  Nuestro diseño ha abordado esta problemática.  Por otra parte, el diseño de la boquilla evita bloqueos o retornos de petróleo en la línea de aire;

e- Razón de 7:1 en el ancho del rango operativo de la boquilla, lo cual nos permite usar un solo modelo de boquilla para todas las zonas del horno.  Por otra parte, esta razón se podría aumentar aun más, al usar un sistemas de control de aire/petróleo, tal como los que provee Metal 7.

f- Los quemadores caben en cualquier instalación existente.  Aparte de traer el aire comprimido al quemador, la conversión a la tecnología de combustión/ quemador de Metal 7 no requiere modificaciones del horno o puertos de quemador.  Además, el diseño es sumamente flexible y sería adaptado a los requerimientos de su propio horno.  Se dimensionaría a sus requerimientos de energía y el diámetro y largo requerido para la llama.

g- La experiencia de Metal 7 con materiales e ingeniería de superficie contribuyó al desarrollo de la selección de los materiales resistentes al calor más efectivos para la fabricación de todas las partes críticas.

El grupo de ingeniería de Metal 7 apoya al cliente en la implementación de esta nueva tecnología.  También ofrecen tableros de control de válvulas que proveend una regulación constante adicional de la razón de aire/petróleo para optimizar la combustión y eficiencia de combustible a cualquier régimen operativo.  El control mejorado que brindan los tableros entrega beneficios adicionales, al aumentar (por ejemplo) la razón del ancho del rango operativo de los quemadores.

Benefit

A- Ahorros en energía y combustible y/o aumento en productividad de induración.  Dependiendo de la tecnología existente de quemador de la planta, y la generación de quemadores de Metal 7 seleccionados por el cliente, se pueden alcanzar ahorros de más del 12% en consumo de petróleo.  El retorno sobre inversión sería muy rápido, y aun mayor, y se sabe que la tecnología de quemadores de Metal 7 puede ser retroadaptada sin muchas modificaciones al puerto de quemadores o el equipo del horno;

Las ganancias en eficiencia de combustión/ quemadores también podrían ser usados para aumentar la producción del horno; estos es bajo el supuesto que el otro departamento de la planta peletizadora podría producir más pellets verdes, y que el mercado del cliente podría absorber la producción adicional.  En tal caso, las ganancias serían mucho mayores en consideración de la reducción del costo marginal de producción para las toneladas extras de pellets.

B- Mejor calidad de los pellets.

Mejor horneados de los pellets con una tecnología de combustión apropiada significa una mejoramiento de las propiedades metalúrgicas y físicas de los pellets.  Esto es particularmente cierto para la capa superior de pellets y el lecho de pellets, y no están expuestos al calor por radiación de la llama o del petróleo no quemado;

C- Reducción de emisiones de CO2 y NOx

El consumo reducido de petróleo por tonelada de pellets y la distribución de calor mejorada mejoran la emisión de CO.  Esto es especialmente aplicable al nuevo quemador modelo 500L;  

D- Mayor disponibilidad del horno

La forma mejorada de la llama y control de combustión evita daños al refractario, y la creación de puntos calientes en los puertos de quemadores o paredes del horno.  Los quemadores requieren bajo mantenimiento.  No están sujetos a bloquearse, coquización en la punta, y no es probable que ocurra el retorno de petróleo en la línea de aire.

Por consiguiente, la conversión a la tecnología de combustión/quemadores de Metal 7 tiene un impacto positivo sobe la disponibilidad del horno de induración.  Esto significa mayor producción de pellets por año.

Un estudio realizado para la evaluación de los ahorros de la conversión 500L para una pelletizaciónpeletización específica demostró las siguientes ganancias:

- Disminución de emisiones de CO2: 5,500 T/año

- Reducción en consumo energético: 496 MJ/H (para un ahorro de US$ 725,000/año para esta planta);

- Total anual de ahorros en costos, combinando ahorros energéticos y aumentos en productividad del horno: más de US$ 2.9 M/año.

En este ejemplo, el retorno sobre inversión sería cosa de pocos meses…