Re estudio Circuito Combustión Caldera Biomasa

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Dentro de las necesidades de la industria papelera, la producción de vapor es uno de los factores importantes para el secado del papel, este vapor puede ser producido por diferentes tipos de calderas, alimentadas por combustible ya sea derivados del petróleo, carbón o madera.
Una producción de bajo costo es esencial, a través de las distintas formas de alimentación a las calderas, en el caso de los combustibles de madera la humedad es un factor importante para la generación de vapor constante y el aumento del rendimiento de caldera.
Por lo anterior expuesto, el combustible debe poseer valores bajo de humedad y ser aprovechado al máximo su poder calorífico de la mezcla, entre los residuos generados por la industria papelera mas virutas secas y el aserrín, que se utiliza en alimentar como combustible a calderas.
En el presente reestudio del circuito de combustión se establecerán los valores máximos de humedad, optimizar, recopilar antecedente de calidad, cantidad y caracterizar el combustible y la eliminación de la viruta seca de la mezcla. Y con la consiguiente selección de pre-secadores del combustible.
No obstante para implementar un sistema de presecado nos encontramos con una inversión, que con un análisis económico de rentabilidad y recuperación de la inversión. Para la toma de decisiones ante dicha inversión.
INTRODUCCION
OBJETIVOS

Optimizar la utilización del combustible empleado actualmente en la caldera biomasa.
Recopilar antecedentes acerca de cantidad y calidad del combustible.
Caracterizar los desechos sólidos (poder calorífico, humedad, densidad, granulometría).
Selección de equipos para el prensado y secado del combustible.
Integración con el proceso de preparación de combustible actual.

El presente informe pretende aportar antecedentes técnicos que permitan mejorar el uso del combustible y el manejo de residuos sólidos existentes en Forestal y Papelera Concepción S.A. como insumos en la producción de vapor de proceso.

El estudio se justifica en la necesidad creciente de generar vapor de bajo costo, mantener la humedad del combustible dentro de rangos aceptables que permitan mejorar el rendimiento de la caldera, utilizar los desechos sólidos producidos en la Planta y aumentar la producción de vapor de proceso. Este último factor es una necesidad permanente, si se piensa que Papelera Concepción está incrementando gradualmente la producción de papel.

1. ANTECEDENTES DE LA EMPRESA
ANTECEDENTES DE LA EMPRESA Y SU PRODUCCIÓN

La Empresa Forestal y Papelera Concepción S.A., inicia sus actividades productivas a comienzo del año 1996, perteneciente, en partes iguales, Inversiones Saieh y Forestal Curimaqui S.A. Está dedicada, principalmente, a la producción de papel de diario, destinado a clientes regionales, nacionales y extranjeros.

La planta se encuentra ubicada en el sector Parque Industrial Escuadrón II (Km. 17 ½), de la comuna de Coronel.

Su Producción media anual es de 40.000 toneladas de papel, con una dotación directa de 185 personas. La tecnología utilizada es de procedencia Sueca y es semi automatizada, sin embargo, desde hace un tiempo se están haciendo mejoras en el proceso, con el fin de tener una mayor calidad y producción.

La planta se encuentra dividida en 10 áreas, para su identificación, se hace uso del código que a continuación se indica:

Área 10 : Planta de Preparación de Madera
Área 15 . Fabricación de Pulpa
Área 25 : Maquina Papelera
Área 35 : Bobinado
Área 45 : Embalado
Área 55 : Planta de Agua
Área 60 : Caldera a Gas y/o Petroleo
Área 62 : Caldera Biomasa
Área 70 : Efluentes

El Producto genérico que la empresa obtiene es el papel en bobinas para impresión de diarios. Puede fabricarse en distintos formatos, según los requerimientos del cliente.
El papel es fabricado con un 100% de pulpa mecánica producida en la Fábrica de Pulpa (como se describe posteriormente).
Los principales tipos de papel que se fabrican son:
Papel impresión periódico 48,8 (g/m2)
Papel voluminoso 50 (g/m2)
Papel base corrugado 50-52 (g/m2)
TIPOS DE PAPELES QUE SE FABRICAN EN F.P.C.
PROCESO GENERAL DE PRODUCCIÓN

La producción de papel se basa en la pulpa obtenida del procesamiento de las astillas de Pino Radiata, por medios mecánicos.

El rendimiento de la madera como materia prima es entre 93-95%, en comparación con las pastas químicas que están alrededor de 50%. El proceso productivo consta de tres etapas principales:

Preparación de madera
Obtención de pulpa
Fabricación de papel.

Figura 1 Flujo grama

La madera es transportada hacia la planta en camiones. Estos transportan los trozos con un largo de 2.44 (m). Con diámetros comprendidos entre 0,10-0,35 (m).
Estos trozos son acumulados en la cancha de acopio, que tiene una dimensión de 2000 (m²). En estas canchas se mantiene un Stock de madera y además los trozos son mojados con aspersores de agua, para evitar la presencia de hongos cromógenos que pueden producir la mancha azul. La presencia de la mancha azul afecta los valores de blancura del papel y exige mayor proporción de agente blanqueante.
La madera se retira de las canchas de almacenamiento a través de un monta carga que alimenta la mesa de entrada de un descortezador de cuchillos. Una vez que se elimina la corteza los trozos son conducidos por una cadena transportadora la cual abastece con trozos al astillador que produce astillas de madera con un tamaño 18 a 20 milímetros de largo, y 8 milímetros de espesor este tamaño se consigue haciéndolas pasar por un tamiz o malla de clasificación.
Estos chips son almacenados en un silo, el cuál tiene una capacidad de 1400 m3. (Ver figura 2)

Figura 2 Preparación madera
ETAPA PREPARACIÓN MADERA
El objetivo de esta área (ver figura 3) es producir la pulpa necesaria para la máquina papelera a partir de la astilla de pino radiata.
El proceso de obtención de pulpa se efectúa con refinadores de doble disco, en una configuración de dos etapas de refinación y con una etapa previa de precalentamiento de astillas. La pulpa obtenida por este proceso es conocida como pulpa T.M.P. (Thermo Mechanical Pulp).
El proceso de pulpa parte con una etapa de lavado y transporte donde llegan las astillas desde el área de preparación madera de astillas que alimentan a los refinadores primarios (1° etapa), previo paso por los precalentadores de astillas que tiene cada refinador en forma individual. El proceso continúa en un silo vaporizador. En este equipo la astilla es precalentada entre 90° y 100° C a través de una inyección de vapor.
La pulpa obtenida en la primera etapa de refinación cae por gravedad a un estanque de transferencia para luego bombearse a una prensa inter etapa de tornillo, que tiene como función elevar la consistencia de pulpa a un 30% para alimentar posteriormente a los refinadores de segunda etapa.
La pulpa obtenida en la segunda etapa cae por gravedad al estanque de reposo. Esta pulpa es bombeada al sistema de depuración. La pulpa aceptada pasa a la etapa de espesado, para luego almacenar la pulpa en una torre de alta consistencia (T.A.C) a un 16%.
La pulpa rechazada es enviada a un sistema de espesado para alimentar al refinador de rechazo y finalmente caer por gravedad al estanque de latencia.
Las propiedades del papel dependen en gran manera de la estructura de las diversas fibras que contienen la hoja. Las características estructurales más importantes son la longitud y espesor de fibra. Se requiere una longitud y espesor mínimo para una buena unión entre fibras. Las fibras más gruesas tienden a producir una hoja más abierta y voluminosa.
Frecuentemente, la pulpa T.M.P. contiene materiales indeseables tales como chips no refinados, haces de fibra, aserrín. Estas impurezas son clasificados normalmente como shives. La pulpa mecánica puede contener también otros materiales como corteza y arena. Si una fracción cualquiera de estos contaminantes alcanza el producto final, la calidad y eficiencia de producción se reduce. Los shives obstruyen la operación de la máquina papelera y provoca cortaduras del papel en las prensas. También pueden producir pintas en el papel terminado y reducir la capacidad de impresión.
La pulpa T.M.P. puede contener fibras largas, que son fibras pobremente tratadas en la refinación o más abiertas. Estas fibras hacen aumentar el grado de drenaje de la pulpa (freeness). Finalmente, estas fibras largas se ven reflejadas en la elaboración del producto final, disminuyendo la calidad del papel. Los parámetros que se ven afectados son principalmente la porosidad y espesor del papel, quedando fuera de las especificaciones establecidas y debiendo ser rechazado en el control de calidad.

Figura 3 Preparación pulpa
ETAPA DE ELABORACIÓN DE PULPA
FABRICACIÓN DEL PAPEL

La elaboración del papel se realiza en sub procesos que son:

Preparación de pastas
Circuito de aproximación
Formación de la hoja
Prensado
Secado
Calandriado
Bobinado y embalado

En esta etapa del proceso se prepara la mezcla de pulpas (pastas) para la producción de papel. Las pastas usadas son las provenientes del estanque T.A.C o pasta virgen proveniente de pulpa, otra correspondiente a finos recuperados del proceso y papel reciclado generado en la planta.
La primera etapa de la preparación de pasta es su blanqueo, proceso que se realiza en línea con la inyección de agente blanqueador (hidrosulfito de sodio). La pulpa blanqueada obtenida se almacena en el estanque T.M.P..
Otra pasta utilizada es la de recorte, que es obtenida del reciclado del papel rechazado en la máquina papelera y despuntes en la bobinadora, utilizando normalmente entre un 5 a 20%. Esta pasta se tiene almacenada en el estanque de recorte a una consistencia adecuada para el proceso.
También se utiliza la pasta o finos obtenidos en un filtro de disco que recupera la pasta presente en las aguas de proceso, ésta representa aproximadamente un 5%.
Las tres pastas se mezclan en una cuba de mezcla, de acuerdo a la proporción que se esté utilizando, obteniendo así una mezcla homogénea de pulpa preparada para entrar al circuito de aproximación.
Preparación de Pasta
La mezcla preparada en la etapa anterior es bombeada a la cuba de máquina para entrar al circuito de aproximación.
En este punto la pasta tiene una consistencia de aproximadamente 3 %, la cual alimenta a un cajón de nivel para luego entrar al silo de agua de máquina donde se produce una dilución de la pasta al 0.8%. La pasta es ingresada por una bomba de velocidad variable que alimenta en su recorrido a dos equipos de depuración, centricleaner y colador vertical, para luego alimentar el equipo principal de esta etapa que es el cajón presión. El punto de unión entre circuito de aproximación y etapa de formación es el cajón presión.
En esta etapa se agregan 3 productos químicos a la pasta, uno para dar el tono al papel periódico (matizante), adicionando en la succión de la bomba que saca la pasta de la cuba máquina. Adicionalmente se agregan dos productos como agentes de retención de finos de la hoja, un coagulante que se adiciona en la succión de la bomba FAN y un floculante adicionado en la salida del colador vertical.
Circuito de Aproximación
La hoja es formada en la mesa de formación o Foudrinier, que cuenta con un formador superior e inferior. Cada formador cuenta con una tela sin fin y un sistema de extracción de agua.
El cajón presión descarga la mezcla de agua con pasta (99.3% de agua y 0.7% de pasta) a la mesa inferior, donde comienza a efectuase la extracción de agua e ir formando la hoja de papel por el entrecruzamiento de las fibras. En este equipo se retira la mayor cantidad de agua. Del total alimentado, aproximadamente 18.000 litros por minuto, continúan en el proceso solo 416, siendo el resto agua que se re circula en el proceso.
La hoja formada de este proceso sale con una consistencia del 18% para luego pasar a las prensas.
Formación de la hoja
Esta máquina cuenta con dos prensas en serie, denominadas internamente como primera y segunda prensa. Su finalidad es extraer parte del agua de la hoja por estrujamiento a través de rodillos. Están dotadas con un rodillo superior de granito que pesa aproximadamente 5000 (Kg.). y además tiene asociado un sistema hidráulico para aumentar la presión sobre la hoja. El rodillo inferior es de goma y puede ser perforado. Además cada prensa tiene un paño que cumple la función de transportar el agua que se extrae de la hoja en el punto de contacto entre el rodillo superior e inferior.
Proceso de Prensado
Para efectuar este proceso, se cuenta con un secador compuesto de 33 cilindros, una capota que envuelve a éstos, un sistema de inyección de vapor a los cilindros, un sistema de extracción de condensado y por último un sistema de extracción de vahos generados en el proceso de secado de la hoja.
A los cilindros secadores se les inyecta en el interior vapor de agua a una presión determinada y se extrae de ellos el condensado que se produce por el efecto de secar la hoja. (Este vapor de agua es proveniente de Área 60 o Servicio, la cual está provista de dos Calderas, una Generadora con gas natural la cual aporta una masa 6 (Ton/hr) de vapor y una Caldera de desechos que se llamará en adelante Caldera (D.H.M).. Esta última aporta 14 (Ton/hr) de vapor.
A su vez el papel se hace pasar por la parte exterior de los cilindros secadores que se encuentran a una temperatura superficial controlada para llegar a una hoja seca con un 8% de humedad. Además cada grupo secador tiene asociado su paño secador que conduce al papel por su recorrido en este sistema.
Proceso de Secado.
A la salida del secador la hoja está formada y algunas características físicas y ópticas ya determinadas, siendo la tersura y espesor parámetros aún en proceso.
El Calandriado cumple la función de planchado de la hoja, esto se efectúa pasando la hoja por un set de rodillo metálicos rectificados que principalmente por su propio peso ayudan a obtener valores de tersura y espesor deseados.
Calandriado
Bobinado y embalado

Los rollos de papel que salen de la máquina papelera tienen un ancho aproximado de 0,384 (m) y un peso neto de 6500 (Kg.), estos rollos ahora deben ser formateados de acuerdo a los requerimientos del cliente, proceso que se efectúa en la bobinadora. Aquí el operador de acuerdo a un programa de producción ajusta los cortes necesarios que se deben hacer al rollo en todo su ancho. El resultado son bobinas con un ancho que va desde 0,32 a 1,52 (m) y un peso de 300 a 750 (Kg). Con un diámetro de 1,02 ± 0,05 (m). Las bobinas una vez inspeccionadas y aceptadas son embaladas con una cubierta de papel de embalaje, etiquetadas y almacenadas en la Bodega de Productos terminados para su posterior despacho a clientes. Cada una de las etapas del proceso de la máquina papelera se efectúan muestreos de las pastas y papel por parte del departamento de control de calidad, con el objetivo de entregar al cliente un producto que cumpla con las especificaciones de compra.

Figura 4 Fabricación papel

ANTECEDENTES GENERALES.
Una de las consecuencias de la actividad forestal / madera es la generación de residuos sólidos de la madera, no solo debido al problema de acumulación que estos generan, sino que su almacenamiento tiene problema como la auto combustión de la corteza y/o la toxicidad de los residuos impregnados que suelen estar presentes en este tipo de procesos. Además debido a su origen y niveles de producción, estos residuos están catalogados como residuos industriales (RISES), lo que no permite disponer de ellos en actuales vertederos municipales autorizados como el de Copiulemo, propiedad de Hidronor.
Por otro lado, un número importante de empresas forestales ha cambiado el carácter de residuos a sus desechos de madera, transformándolos en productos útiles, como por ejemplo, materia prima para tableros, compostaje o simplemente en combustible para calderas especializadas en la combustión en este tipo de residuos.
Los sólidos que genera Forestal y Papelera Concepción S.A. en su proceso productivo, se puede describir de la siguiente manera:
1. Corteza
2. Desecho del descortezador en húmedo del pino radiata. Actualmente se acopia en rumas en el extremo oeste del patio de maniobra situado al oeste de la zona de proceso. Su humedad es de aproximadamente un 70% base húmeda, su granulometría no es uniforme, encontrándose también trozos de gran tamaño (0.5 metros). Anteriormente existían compradores para este tipo de desechos que lo usaban como combustible, sin embargo en la actualidad existen un exceso de oferta de corteza en la zona.
  Desecho de la clasificación del chip. Se apila en la zona de la correa transportadora que carga el silo de chip. Su granulometría es uniforme y su aspecto es como el aserrín pero de partículas de tamaño más grande. En el pasado, Masisa Planta Mapal, Industria de Madera Río Itata y otros lo han comprado para su uso en la producción de tableros.
3. Pin chip
4. Pasta

Desecho que se genera en filtros, ubicados en la zona de la piscina decantadora, que retiran el agua desde el sólido que se recupera en esta zona. Es el desecho más húmedo y tiende a aglomerarse o formar pellet.

Los desechos húmedos de madera como corteza y pasta en general son de más complicada utilización por su exceso de oferta y contenido de humedad respectivamente.

Como el consumo mensual de pino radiata para la producción de papel es del orden de 4600 metros ruma. Una caracterización típica en esta especie, indica que el porcentaje de corteza es de 7% en peso. En consecuencia la corteza total mensual seria 537 (Ton/mes) de corteza (1343 m3).

Estos residuos generados son aprovechados como combustibles en una caldera ubicada en el sector de área 62 que corresponde a la Cadera D.H.M. (Desecho Húmedo Madera), caldera que cuenta con las siguientes características:

Caldera Industrial, dos pasos de gases, de construcción soldada, con ante hogar de albañilería refractaria, paredes radiantes y parrilla refrigerada por agua, para quemar aserrín residuos de madera, es alimentada por gravedad al ante hogar mediante transportador de cadena y dosificada mediante válvulas.

Características de Caldera Mixta D.H.M.

Capacidad de generación de vapor 13 (Ton/hr)
Superficie de calefacción 445 (m2)
Presión de diseño 15 (Kg/cm2)
Presión de trabajo 14 (Kg/cm2)
Presión de prueba 22,5 (Kg/cm2)
Combustible Residuos de madera
Consumo de combustible 3.680 (Kg/hr)
Eficiencia 65 %
Acuotubular 1ra Pasada
Pirotubular 2da pasada

FLUJO_GRAMA caldera1.dwg Figura 5 Flujo grama caldera

Las calderas de vapor son unos aparatos en los que se hace hervir agua para producir vapor. El calor necesario para calentar y vaporizar el agua puede ser suministrado por un hogar, por gases calientes recuperados a la salida de otro aparato industrial (horno, por ejemplo), por el fluido refrigerador de una pila atómica, por irradiación solar o por una corriente eléctrica. Cuando el calor es suministrado por en líquido caliente o por vapor que se condensa, se suelen emplear otras denominaciones, tales como vaporizador y transformador de vapor. El sinónimo generador de vapor se emplea de preferencia cuando se habla de calderas de una cierta importancia. Si la caldera propiamente dicha está conectada a otros, de los cuales unos calientan el agua (recalentadores de agua, economizadores) o el aire de combustión (precalentador de aire), y otros recalientan el vapor (recalentadores), suele denominarse el conjunto grupo evaporador, y la parte del grupo en que se produce la evaporación se llama vaporizador o haz vaporizador.
Los aparatos que quitan su vapor al fluido refrigerador de un reactor nuclear (pila atómica), si bien constituyen verdaderos evaporadores o calderas en sentido amplio de la palabra, se denominan normalmente intercambiadores. Durante su funcionamiento, la caldera propiamente dicha está sometida interiormente a la presión de equilibrio del agua y de su vapor a la temperatura alcanzada. Los otros elementos del grupo recorridos por el agua o el vapor, a partir de la bomba de alimentación (economizador, recalentador), están sometidos casi a la misma presión, pero la temperatura del fluido puede ser inferior o superior a la ebullición.
La forma de las calderas de vapor ha evolucionado considerablemente y, sobre todo, se ha diversificado, incluso si nos limitamos a considerar las calderas calentadas por hogares. Las primeras calderas consistían esencialmente en recipientes cerrados, cuya parte inferior, llena de agua, estaba sometida a la irradiación de un hogar o al contacto de gases calientes. Para obtener, además, grandes superficies de contacto, se construyeron más adelante calderas con hervidores, situados debajo del cuerpo cilíndrico principal y conectados a éste mediante conductos tubulares. En este sentido ha constituido una nueva etapa la aparición de las calderas semitubulares, cuyo cuerpo principal está atravesado por un haz tubular.
Otro medio de aprovechar mejor el calor producido en el hogar ha consistido en emplazar éste en el interior de la caldera, estando constituido por un cilindro de plancha, cuya superficie externa está enteramente bañada por el agua.
1. 1. Acuotubulares
  2. Las calderas Acuotubulares (el agua está dentro de los tubos) eran usadas en centrales eléctricas y otras instalaciones industriales, logrando con un menor diámetro y dimensiones totales una presión de trabajo mayor, para accionar las máquinas a vapor de principios de siglo.
    En estas calderas, los tubos longitudinales interiores se emplean para aumentar la superficie de calefacción, y están inclinados para que el vapor a mayor temperatura al salir por la parte más alta, provoque un ingreso natural del agua más fría por la parte más baja. Originalmente estaban diseñadas para quemar combustible sólido.
    La producción del vapor de agua depende de la correspondencia que exista entre dos de las características fundamentales del estado gaseoso, que son la presión y la temperatura.
    A cualquier temperatura, por baja que esta sea, se puede vaporizar agua, con tal que se disminuya convenientemente la presión a que se encuentre sometido dicho líquido, y también a cualquier presión puede ser vaporizada el agua, con tal que se aumente convenientemente su temperatura.
    1. Ventajas
    La Caldera de tubos de agua tiene la ventaja de poder trabajar a altas presiones dependiendo del diseño hasta 24.6 (Kg./cm2)
    Se fabrican en capacidades de 15 hasta 1500 (Kw.).
    Por su fabricación de tubos de agua es una caldera "INEXPLOSIBLE".
    La eficiencia térmica está por arriba de cualquier caldera de tubos de humo, ya que se fabrican de 3, 4 y 6 pasos dependiendo de la capacidad.
    El tiempo de arranque para producción de vapor a su presión de trabajo no excede los 20 minutos.
    Los equipos son fabricados con materiales que cumplen con los requerimientos de normas.
    Son equipos tipo paquete, con todos sus sistemas para su operación automática.
    Son utilizados quemadores ecológicos para combustión, gas y diesel.
    Sistemas de modulación automática para control de admisión aire-combustible a presión.
    El vapor que produce una caldera de tubos de agua es un vapor seco, por lo que en los sistemas de transmisión de calor existe un mayor aprovechamiento. El vapor húmedo producido por una caldera de tubos de humo contiene un porcentaje muy alto de agua, lo cual actúa en las paredes de los sistemas de transmisión como aislante, aumentando el consumo de vapor hasta en un 20%.
  3. Pirotubulares.
  La caldera de vapor pirotubular, concebida especialmente para aprovechamiento de gases de recuperación presenta las siguientes características.
  El cuerpo de caldera, está formado por un cuerpo cilíndrico de disposición horizontal, incorpora interiormente un paquete multitubular de transmisión de calor y una cámara superior de formación y acumulación de vapor.
  La circulación de gases se realiza desde una cámara frontal dotada de brida de adaptación, hasta la zona posterior donde termina su recorrido en otra cámara de salida de humos.
  El acceso al cuerpo lado gases, se realiza mediante puertas atornilladas y abisagradas en la cámara frontal y posterior de entrada y salida de gases, equipadas con bridas de conexión. En cuanto al acceso, al lado agua se efectúa a través de la boca de hombre, situada en la bisectriz superior del cuerpo y con tubuladuras de gran diámetro en la bisectriz inferior y placa posterior para facilitar la limpieza de posible acumulación de lodos.
  El conjunto completo con sus accesorios, se asienta sobre un soporte deslizante en una bancada sólida de firme construcción, suministrándose como unidad compacta y dispuesta a entrar en funcionamiento tras realizar las conexiones e instalación.
2. TIPOS DE CALDERAS
  Las Calderas o Generadores de vapor son instalaciones industriales que, aplicando el calor de un combustible sólido, líquido o gaseoso, vaporizan el agua para aplicaciones en la industria.
  Hasta principios del siglo XIX se usaron calderas para teñir ropas, producir vapor para limpieza, etc., hasta que Papin creó una pequeña caldera llamada "marmita". Se usó vapor para intentar mover la primera máquina homónima, la cual no funcionaba durante mucho tiempo ya que utilizaba vapor húmedo (de baja temperatura) y al calentarse ésta dejaba de producir trabajo útil.
  Luego de otras experiencias, James Watt completó una máquina de vapor de funcionamiento continuo, que usó en su propia fábrica, ya que era un industrial inglés muy conocido.
  La máquina elemental de vapor fue inventada por Dionisio Papin en 1769 y desarrollada posteriormente por James Watt en 1776.
  Inicialmente fueron empleadas como máquinas para accionar bombas de agua, de cilindros verticales. Ella fue la impulsora de la revolución industrial, la cual comenzó en ese siglo y continua en el nuestro.
  Máquinas de vapor alternativas de variada construcción han sido usadas durante muchos años como agente motor, pero han ido perdiendo gradualmente terreno frente a las turbinas. Entre sus desventajas encontramos la baja velocidad y (como consecuencia directa) el mayor peso por Kw de potencia, necesidad de un mayor espacio para su instalación e inadaptabilidad para usar vapor a alta temperatura.
  Dentro de los diferentes tipos de calderas se han construido calderas para tracción, utilizadas en locomotoras para trenes tanto de carga como de pasajeros. Vemos una caldera multi-humo tubular con haz de tubos amovibles, preparada para quemar carbón o lignito. El humo, es decir los gases de combustión caliente, pasan por el interior de los tubos cediendo su calor al agua que rodea a esos tubos.
  Para medir la potencia de la caldera, y como dato anecdótico, Watt recurrió a medir la potencia promedio de muchos caballos, y obtuvo unos 33.000 libras-pie/minuto o sea 550 (libras-pie/seg), valor que denominó HORSE POWER, potencia de un caballo.
  Posteriormente, al transferirlo al sistema métrico de unidades, daba algo más de 76 (Kg.xm/seg). Pero, la Oficina Internacional de Pesos y Medidas de París, resolvió redondear ese valor a 75 más fácil de simplificar, llamándolo "Caballo Vapor" en homenaje a Watt.
  1. Proceso de vaporización
  El vapor o el agua caliente se producen mediante la transferencia de calor del proceso de combustión que ocurre en el interior de la caldera, elevando, de esta manera, su presión y su temperatura.
  Debido a estas altas presiones y temperaturas se desprende que el recipiente contenedor o recipiente de presión debe diseñarse de forma tal que se logren los limites de diseño deseado, con un factor de seguridad razonable.
  Por lo general, en las calderas pequeñas empleadas para la calefacción domestica, la presión máxima de operación es de 1.06 (kg/m2). En el caso del agua caliente, esta es igual a 232 oC.
  Las calderas grandes se diseñan para diferentes presiones y temperaturas, con base en la aplicación dentro del ciclo del calor para la cual se diseña la unidad.
3. CALDERA DE VAPOR
  Los combustibles están caracterizados por un poder calorífico (cantidad de (kilocalorías / kilogramo) que suministran al quemarse), un grado de humedad y unos porcentajes de materias volátiles y de cenizas.
  Esto datos son de gran utilidad para determinar las condiciones prácticas de la combustión, pero no son suficientes para estudiar el mecanismo de las diferentes combinaciones químicas.
  El análisis químico es quien permite distinguir los diferentes elementos (puros) que constituyen el combustible. Estos elementos se pueden clasificar en dos grandes categorías.
  Elementos activos, es decir: combinables químicamente con el comburente, cediendo calor. Son el carbono, hidrógeno, azufre, etc.
  Elementos inertes, que no se combinan con el comburente y que pasarán como tales a los residuos de la combustión. Son el agua, nitrógeno, cenizas, etc.
  El objeto de la combustión, refiriéndonos a los hogares, es el de proporcionar una producción de calor uniforme y regulada para ser transmitida a un medio que la absorba. Una de las cuestiones más importantes es la de suministrar una cantidad exacta de oxígeno por unidad de peso del combustible para que se realice la combustión completa.
  Además de la exactitud correcta de la mezcla "aire-combustible", se debe dar el tiempo necesario para que la mezcla sea íntima para que el combustible arda completamente; la temperatura del hogar debe ser tal que mantenga la combustión. La mejor manera de estudiar la combustión en un hogar consiste en relacionarla directamente con el análisis del combustible usado, para el cálculo de la cantidad necesaria de aire y de 103 productos gaseosos formados.
4. IMPORTANCIA DE LA ELECCIÓN DE UN BUEN COMBUSTIBLE
5. Se denomina aire mínimo o teórico para la combustión a la cantidad estequiométrica de este, necesaria para una combustión completa
  Se considera que un combustible (sólido o líquido) está formado por carbono, hidrógeno, oxígeno y azufre, siendo su composición en tanto por uno en peso.
  PC Kg. de carbono / Kg. de combustible
  PH2 Kg. de hidrógeno / Kg. de combustible
  PO2 Kg. de oxígeno / Kg. de combustible
  PS Kg. de azufre / Kg. de combustible
  de tal forma que se verifique:
  Teniendo en cuenta que las reacciones químicas de la combustión completa son:
  
  y teniendo en cuenta los pesos moleculares correspondientes, se tiene que para quemar Pc Kg. de carbono, se necesita:
  PC kg de oxígeno = 2,67 Pc kg de O2
  De la misma forma, para quemar los PH2 Kg. de hidrógeno, se necesita:
  PH2 kg de oxígeno = 8 PH2 kg de O2
  y para la combustión completa de los Ps Kg. de azufre se necesitarán:
  PS kg de oxígeno = PS kg de O2
  Ahora bien, como el combustible contiene ya PO2 Kg. de oxígeno, el oxígeno mínimo que hay que aportar para producir la combustión completa de 1 Kg. de combustible será:
  Om = 2,67 PC + 8 PH2 + PS – PO2 kg de oxígeno.(1)
  Como la composición media, en peso, del aire es aproximadamente de 21% de oxígeno y 79% de nitrógeno, el aire mínimo expresado en kilogramos será:
  La combustión en una caldera se realiza con el fin de obtener energía, y es obvio que para una mejor rentabilidad es preciso recuperar, del modo más posible, la energía química contenida en potencia en el combustible. Esta energía química va a liberarse bajo la forma de calor en las reacciones de la combustión. Este calor va a ser recuperado en la caldera para producir vapor y recalentarlo. La diferencia entre la energía en potencia, contenida en el combustible, y la energía absorbida por el vapor constituye la energía perdida (calorías perdidas). El rendimiento de la combustión es, pues, función de estas pérdidas. Las causas de estas pérdidas son numerosas.
6. TEORÍA DE LA COMBUSTIÓN COMPLETA E INCOMPLETA
  1. Leña
7. TIPOS DE COMBUSTIBLES PARA CALDERAS
CALDERAS

Casi tan antiguo como la existencia del hombre es la utilización del fuego como medio de calefacción. El control sobre él dispuso a voluntad, de un medio practico para resguardarse de los crudos inviernos. Históricamente la leña ha sido el método más tradicional de calefacción, aunque su utilización a cielo abierto siempre restó eficacia a su poder calorífico. El nacimiento de los hogares cerrados, primero en piedra y luego en fundición, comenzaron a aprovechar la verdadera potencia de la leña.

Enumerar las ventajas de la leña es mezclar sentimientos con elementos físicos. Así podríamos decir que:

Es un elemento combustible sin poder de explosión
Alto poder calórico de algunas especies
Elemento biodegradable aun después de su combustión
Imagen afectiva ligada al ambiente hogareño
Alto poder de fascinación visual
Afecta a varios aspectos sensitivos (olor, vista, tacto, oído)
Precio razonablemente económico (incluso gratis)
Poder de reunión (imagen común de personas a su alrededor)

Aspecto importante a tener en cuenta a la hora de tratar la leña es su humedad. La leña para ofrecer sus más altas cotas de poder calorífico ha de estar liberada en su mayor parte de la humedad. Para ello es importante respetar los tiempos de secado condicionados por el método de almacenamiento. Se recomienda un tiempo mínimo de 18 meses, preferentemente almacenándolos a cubierto.

Para esas condiciones y transcurridos esos meses la humedad inicial que podía ser de un 75% pasaría a ser del 15%, humedad suficientemente baja como para evitar los problemas de quemar leña sin secado previo:

Leña con alto grado de humedad reduce su poder calorífico
Dificulta el encendido
Su combustión produce condensación y alquitrán en los conductos de humo.

Carbón Vegetal

La madera o leña es un compuesto de oxigeno, hidrógeno, carbono y ázoe. Sustancias que se transforman en otras a través de la combustión. Si se quema leña al aire libre, ésta se consume por completo; los gases contenidos en ella, tales como el ácido carbónico, el óxido de carbono y el vapor de agua, se transforman en humo y sus partes sólidas se convierten en cenizas.

CAPACIDAD CALORÍFICA

La combustión es el conjunto de combinaciones químicas que se producen en ciertas condiciones, desprendiendo calor, cuando se pone en contacto un combustible y un carburante.

Partes: 1, 2

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