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PDVSA
MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO
TRANSFERENCIA DE CALOR
HORNOS
PDVSA N°
MDP–05–F–07
0
DIC.95
REV.
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APROB.
E1994
TITULO
INCINERADORES
18
DESCRIPCION
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PAG. REV.
APROB.
APROB. APROB.
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ESPECIALISTAS
MANUAL DE DISEÑO DE PROCESO
PDVSA
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TRANSFERENCIA DE CALOR
HORNOS
INCINERADORES
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Indice
1 OBJETIVO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
2 ALCANCE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
3 REFERENCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
4 ANTECEDENTES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
4.1
4.2
4.3
Solicitud de incinerador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Control de contaminación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Alternativas para construir un nuevo incinerador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
4
4
5 TIPOS DE INCINERADORES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
5.1
5.2
5.3
5.4
5.5
5.6
5.7
Incineradores de fuego directo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Incineradores catalíticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Incineradores de lecho fluidizado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Intercambiadores de calor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Horno de calcinación rotatoria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Núcleos múltiples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Embalses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
6
6
6
7
7
7
6 CONSIDERACIONES BASICAS DE DISEÑO . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
6.1
6.2
6.3
6.4
6.5
6.6
6.7
Características de las corrientes de desecho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Unidad deseada de operación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Sistema de alimentación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Cámara de combustión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Sistema de control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Recuperación de calor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Sistema de control del efluente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
9
9
11
13
14
14
7 PREPARACION DE LAS ESPECIFICACIONES DE TRABAJO . . .
15
8 NORMAS PARA LOS ANALISIS DE DEMOSTRACION . . . . . . . . .
17
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OBJETIVO
Describir los varios tipos de incineradores disponibles y las normas vigentes para
la preparación de las especificaciones de trabajo de estos incineradores en
refinerías y en plantas químicas. Esta información cubre criterios de diseño que
sean propietarios de PDVSA y sus filiales.
El tema “Hornos”, dentro del area de “Transferencia de Calor”, en el Manual de
Diseño de Procesos (MDP), está cubierto por los siguientes documentos:
PDVSA–MDP–
Descripción de Documento
05–F–01
Hornos: Principios Básicos.
05–F–02
Hornos: Consideraciones de diseño.
05–F–03
Hornos: Quemadores.
05–F–04
Hornos: Sistemas de tiro forzado.
05–F–05
Hornos: Precalentadores de aire.
05–F–06
05–F–07
Hornos: Generadores de gas inerte.
Hornos:Incineradores (Este documento).
Este documento, junto con los demás que cubren el tema de “Hornos”, dentro del
Manual de Diseño de Procesos (MDP) de PDVSA, son una actualización de la
Práctica de Diseño “HORNOS”, presentada en la versión de Junio de 1986 del
MDP (Sección 8).
2
ALCANCE
Este documento tiene que ver primeramente con la fase de combustión del
incinerador, pero no considera en detalle el manejo de la alimentación aguas arriba
o las facilidades de tratamiento (aguas abajo) del gas de combustión o de los
efluentes. Debido a que estos puntos son frecuentemente incluidos en cualquier
sistema de incineración, el responsable debe tratar toda la unidad como un
sistema en preparación de la especificación de servicio completo. Los problemas
de interfase básicos aguas arriba y aguas abajo y las condiciones operacionales
se discuten en esta subsección, pero los detalles para la preparación de la
especificación del servicio debe ser obtenida de los respectivos consultores
ambientales ó sus equivalentes en las respectivas filiales.
3
REFERENCIAS
Manual de Diseño de Proceso (versión 1986)
S Vol VII y VIII, Sección 12 “Instrumentación”
S Vol VIII y IX, Sección 15 “Seguridad en el diseño de plantas”
Manual de Ingeniería de Diseño
S PDVSA–MID–B–201–PR “Hornos de fuego directo”
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S PDVSA–MID–K–337: “ Furnace instrumentation “
S PDVSA–MID–L–TP–2.7 “Hornos de proceso: Requisición, análisis de ofertas
y detalles de compra”
S PDVSA–MID–SN–252: “Control de ruidos en equipos”
Manual de Ingeniería de Riesgo
S PDVSA–IR–P–01 “Sistema de paradas de
despresurizacion y venteo de equipos y plantas”
4
emergencia,
bloqueo,
ANTECEDENTES
4.1
Solicitud de incinerador
La mayoría de los incineradores se solicitan mediante las especificaciones de
trabajo y no mediante las especificaciones de diseño. Los criterios primarios
requeridos para especificar cualquier incinerador son una definición precisa de la
corriente de desecho a ser oxidada y la calidad del gas efluente requerida. Los
puntos normalmente cubiertos en tales especificaciones están incluidos en este
documento.
Los incineradores no se clasifican fácilmente, debido a que cada unidad debe
generalmente manejar un tipo diferente de desecho. Cada uno requiere la
integración de varios subsistemas: un sistema de alimentación, un sistema de
combustión, un sistema de control y un posible sistema de control de recuperación
de calor y efluente o emisión del gas de combustión. La tecnología disponible, la
capacidad del vendedor y la experiencia difieren enormemente entre estos
sistemas. Por ejemplo, los vendedores orientados a la combustión normalmente
saben muy poco acerca de sistemas sofisticados de depuración y necesitan
asistencia en esa área para cualquier incinerador de desecho requerido para
controlar la emisión del gas de combustión.
Debido a estas complejidades, los vendedores frecuentemente rechazan el
garantizar los sistemas de incineración, excepto cuando ellos tienen experiencia
con desechos similares. Hay algo de renuencia en diseñar incineradores para
desechos nuevos y difíciles debido al costo involucrado de desarrollo. Con la
presente tecnología, la única forma segura de comprar un incinerador para
aplicaciones industriales es conseguir un vendedor que tenga experiencia
operacional con unidades similares. Los análisis de demostración son una
práctica común en la industria donde no existe experiencia. Si no se consiguen
vendedores con experiencia para resolver un problema de desecho dado, una
alternativa es desarrollar un diseño utilizando la tecnología y análisis local,
preferiblemente en cooperación con el vendedor de mayor experiencia.
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Control de contaminación
En todos los casos, el control de contaminación local debe ser cuidadosamente
examinado, para evaluar el impacto de las leyes presentes, y las que fueron
propuestas durante los primeros años de la operación del incinerador. Todas las
alternativas de métodos de disposición deben ser examinados antes de tomar la
decisión de construir un nuevo incinerador. Algunas de estas alternativas son
discutidas más adelante.
4.3
Alternativas para construir un nuevo incinerador
Debido a que las condiciones económicas varían de una ubicación a otra, cada
caso debe ser revisado individualmente para evaluar las siguientes alternativas:
4.3.1
Reprocesamiento del desecho
1. El desecho puede algunas veces ser reprocesado para concentrar los
contaminantes. Esto implica que se puede utilizar el equipo existente para
incinerar el desecho concentrado o venderlo como se discute más abajo.
Esta propuesta puede ser la más económica, especialmente en el caso de
grandes
volúmenes
conteniendo
bajas
concentraciones
de
contaminantes. Un ejemplo serían los sedimentos de plantas de
tratamiento de agua.
2. Los desechos pueden algunas veces ser reprocesados para crear un
nuevo producto o un material crudo. Esta técnica requiere de considerable
tiempo y no puede ser regulado como un sustituto a corto plazo para la
incineración. Sin embargo, es necesario hacer algunas investigaciones de
estas corrientes, las cuales son ricas en material crudo o producto, o
corrientes que requieren altos costos de inversión del incinerador.
Ejemplos de estos son las plantas de recuperación de cloro y azufre.
4.3.2
Combinación de corrientes en unidades existentes
1. Incineradores – Con un diseño apropiado del incinerador, más de un
desecho puede ser incinerado en la misma unidad. Por ejemplo:
a.
Combustión de una corriente con un alto calor de combustión para
reemplazar combustible auxiliar el cual de otra forma será utilizado
para quemar una corriente con un calor de combustión tan bajo que
tiene características de quema pobres.
b.
La incineración de una corriente con un poder calorífico bajo para
reemplazar el agua de enfriamiento o el aire en un incinerador que
quema desechos con un alto poder calorífico.
c.
Pequeñas corrientes, que deben añadirse en menos del 10 ó 20%
a la alimentación de una unidad existente, pueden algunas veces ser
adicionadas sin alterar la operación de la unidad existente.
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2. Hornos de Procesos – En algunos casos, las corrientes de desecho de
fácil manejo (menos del 10% del calor quemado), pueden ser dispuestas
eficiente y económicamente de un horno de proceso. Sin embargo,
sistemas de control, seguridad y distribución pueden aumentar los costos.
4.3.3
Contratación del desalojo de la corriente de desecho
1. Sistemas regionales industriales de desechos – Algunas firmas están
construyendo incineradores regionales para servir a complejos
industriales. Los costos varían dependiendo del transporte y tipo de
desecho. Buenas muestras de este tipo de desalojo son las corrientes
pequeñas de bajo volumen o corrientes tóxicas, las cuales podrían ser
difíciles o costosas de manejar en un incinerador local. Por tal razón, se
requiere una evaluación del contratado, para asegurar que la falla en su
equipo o la deficiencia en sus facilidades de almacenaje no implicará una
parada de nuestra planta. Nótese que el riesgo final generalmente depende
del originador de la corriente de desecho y no del contratado. Esta
tendencia es popular en países desarrollados con una legislación
ambiental estricta, pero en Venezuela aún no se ha hecho presente.
2. Incineradores municipales – Algunas plantas municipales de desperdicio
consideran el material industrial como un desecho. Los desechos sólidos
son buenas muestras para este método, y se pueden usar desechos con
alto poder calorífico en esta unidades para aumentar el poder calorífico
inferior y mejorar la combustión. Sin embargo, desechos industriales
volátiles pueden causar problemas en unidades diseñadas para
desperdicios de bajo poder calorífico. Materiales, tales como plásticos y
gomas pueden ser dispuestos en unidades municipales sólo en cantidades
que no excedan el 5–10% de la carga total. Esta tendencia es popular en
países desarrollados con una legislación ambiental estricta, pero en
Venezuela aún no se ha hecho presente.
5
TIPOS DE INCINERADORES
5.1
Incineradores de fuego directo
Este tipo de unidad utiliza contacto directo con una llama suspendida para oxidar
la corriente de desecho, con o sin combustible auxiliar. Esto se lleva a cabo en una
zona de combustión, o cámara, diseñada para dar un tiempo de residencia
adecuado y una temperatura para la combustión de las corrientes de desechos.
La incineración por fuego directo requiere que el material de desecho pueda ser
atomizado adecuadamente. Este es el tipo más común de incineradores
industriales para desechos líquidos y gaseosos.
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Incineradores catalíticos
Este tipo de incinerador utiliza el contacto de un catalizador para convertir la
corriente de desecho. Estas unidades pueden requerir algo de precalentamiento
para permitir que ocurra la reacción catalítica a las temperaturas adecuadas, en
cuyo caso ellas son construidas en serie con una unidad de fuego directo o un
intercambiador de calor para alcanzar el precalentamiento deseado. Algunas
veces los convertidores catalíticos son instalados para limpiar el gas de
combustión de otro tipo de incinerador. Las unidades catalíticas son generalmente
costosas y el catalizador es susceptible a desactivación o envenenamiento por los
componentes del desecho de alimentación no contemplados en el diseño. Las
unidades catalíticas son usadas sólo cuando ningún otro método de desalojo es
aplicable.
5.3
Incineradores de lecho fluidizado
Estos incineradores son usados frecuentemente para quemar desechos que
contienen gran cantidad de sólidos que no pueden ser atomizados en una unidad
de fuego directo. Los desechos de las facilidades de tratamiento de agua de la
refinería y en algunos casos deposición de soda cáustica usada, son típicos
materiales de este tipo de unidad. El material del lecho es por lo general arena,
pero puede ser sales de sodio cuando está involucrada la disposición de soda
cáustica. La inercia térmica del lecho evita cambios rápidos en temperatura y
provee la capacidad para manejar desechos con composición y poder calorífico
variables. Sin embargo, si el desecho contiene sales inorgánicas en
concentraciones significativas ( 2000 mg/kg (2000 ppm)), especialmente cloruros
del agua de mar, se podría formar una mezcla de sal con una baja temperatura de
fusión, la cual permanecería en el lecho en fase líquida. Por aglomeración de las
partículas, las sales fundidas pueden causar desfluidización del lecho, e impedir
el uso del lecho fluidizado para ese desecho contaminante. También los
incineradores de lecho fluidizado son costosos y requieren de equipo para
remover el arrastre de partículas finas en el gas de combustión.
5.4
Intercambiadores de calor
Este tipo de incinerador puede ser de llama o sin ella, pero difiere de los
calentadores de fuego directo en que la corriente de desecho es calentada hasta
la temperatura de conversión sin contacto directo con la llama o con los gases de
combustión. Este sistema pudiera ser usado donde se requiera baja temperatura
de conversión y/o la contaminación de la corriente de desecho pudiera causar
otros problemas.
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Horno de calcinación rotatoria
Este es un tipo especial de incinerador de fuego directo, el cual es usado para
desalojar sólidos y líquidos que poseen sólidos. Este horno de calcinación crea un
tiempo de residencia alto para la combustión completa de los sólidos. El contacto
directo del desecho con la pared del horno restringe el uso de este tipo de horno
a desechos con poder calorífico relativamente bajo con bajas concentraciones de
metales contaminantes, los cuales pudieran causar daños al refractario.
5.6
Núcleos múltiples
Estas unidades tienen las mismas ventajas y desventajas de los hornos de
calcinación rotatoria, y usan sólo un mecanismo diferente para mover el material
a través del incinerador (usualmente un brazo rotativo de arrastre).
5.7
Embalses
Estos incineradores de desechos sólidos son diseñados con y sin circulación
forzada de aire. En ambos diseños, el humo y las emisiones de cenizas son
generalmente insatisfactorias.
6
CONSIDERACIONES BASICAS DE DISEÑO
Los principales requerimientos para las especificaciones de servicio de cualquier
incinerador son categorizar tan preciso como sea posible (a) las características del
desecho y (b) los requerimientos deseados de la unidad de operación. Una vez
que las condiciones primarias son definidas, se deben expandir las
especificaciones para incluir los requerimientos específicos para el sistema de
alimentación, cámara de combustión, sistema de control, sistema de control de
recuperación de calor y sistema de control de efluentes.
6.1
Características de las corrientes de desecho
Esta es la porción más crítica de la especificación de servicio de cualquier
incinerador, debido a que las corrientes de desecho son tradicionalmente las más
escasamente definidas en cualquier proceso; aun así cambios pequeños en la
composición y en las propiedades puede seriamente afectar el costo y la
operabilidad del sistema de incineración. Las principales consideraciones son:
Lista de todos los componentes – La lista debe incluir cualquier traza de
elementos o componentes que pueden causar toxicidad o arrastre de cenizas
inorgánicas, o que puedan reaccionar con los metales o refractarios. Estos datos
deben ser usados por el vendedor para los propósitos de análisis y diseño.
También se deben suministrar las cantidades de flujo y los poderes caloríficos, de
tal forma que los vendedores puedan evaluar sobre una base consistente.
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Identificar la dinámica del flujo y composición – Las corrientes de desechos
de muchas refinerías típicas y plantas de procesos químicos pueden variar
marcadamente en composición y en flujo durante operación no usual del proceso;
es decir, arranques, paradas, ajustes, etc. Debido a que el control de
contaminación incluye límites aun durante niveles de emisión de corto tiempo, el
incinerador debe ser diseñado para soportar estas variables dinámicas en su
alimentación. Esto es crítico especialmente en corrientes gaseosas donde es
imposible retener el flujo y en corrientes líquidas que puedan estar contaminadas
con sedimentos de sólidos o compuestos de alta viscosidad que no entrarían al
incinerador bajo condiciones normales.
Aunque no es práctico o necesario proveer controles para manejar todas las
contingencias de ajustes, éstos deben ser determinados, considerados y
documentados. En muchos casos, se pueden incluir opciones para solicitar al
vendedor que considere tales contingencias en el diseño y que indique los costos
adicionales.
Cambios pronosticados en el futuro para la cantidad y calidad de las
corrientes – En muchos casos, las plantas se construyen tomando en
consideración expansiones futuras pero el incinerador tendrá que manejar los
flujos iniciales y finales. También ocurrirán cambios en la composición del desecho
como alimentación, en el producto y en el catalizador.
Pronóstico potencial en el futuro para combinar corrientes de desechos – Si
algunas plantas ha sido construidas simultáneamente o si algunos incineradores
son diseñados para un lugar en específico, se debe tomar en consideración la
combinación de las unidades, especialmente si las corrientes son compatibles.
Naturalmente, se deben examinar las unidades existentes que posiblemente sean
usadas en combinación.
6.2
Unidad deseada de operación
Es esencial describir completamente los lineamientos de la unidad de operación
deseada para cualquier instalación dada.
Interface proceso/incinerador – Si la dinámica de la corriente ha sido
determinada, esta parte de la especificación debe detallar los modos de operación
requeridos bajo los cuales el incinerador debe funcionar. Algunos detalles a ser
considerados son la capacidad líquido/sólido retenido, diluente o disponibilidad de
flujo para contrarrestar las variaciones en composición durante las paradas de las
corrientes y sistemas alternos de desalojo de gas durante las mismas.
Operación general del incinerador – Se debe especificar algunas
consideraciones de diseño con respecto a la operación deseada del incinerador.
Estas incluyen: factor de servicio requerido, grado de control automático contra
control manual, lista de servicios y operación intermitente contra operación
continua.
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Detalles del diseño – En el caso de unidades de multi–corrientes, será necesario
calcular el balance de calor de la unidad para determinar el número aproximado
de quemadores, su capacidad y los requerimientos de combustible auxiliar para
todos los posibles modos de operación. Los incinerador con una sola corriente no
requieren estos cálculos, debido a que la operabilidad se fija para una sola
corriente. El diseñador debe construir para los vendedores una matriz de todos las
potenciales formas de operación de las diferentes corrientes.
Generalmente, para estas unidades complejas, los vendedores tendrán que ser
consultados para determinar cuales tipos de arreglos son posibles o prácticos. Por
ejemplo, es posible combinar varias corrientes en un quemador o construir
unidades con multi–cámaras para separar corrientes incompatibles.
Especificación de la calidad del efluente – La información sobre las leyes
aplicables debe ser suministrada junto con las especificaciones de servicio,
incluyendo los requerimientos de efluentes del agua y aire, las limitaciones
aplicables al ruido y los requerimientos de la chimenea. Si se va a usar una
chimenea existente en común, se deben suministrar los detalles del diseño de la
chimenea al vendedor para propósitos de cálculo. También se debe suministrar un
regulador de tiro con aislamiento.
6.3
Sistema de alimentación
La mayoría de los problemas del incinerador ocurren en los sistemas de
alimentación, debido principalmente a problemas de interface entre el contratista
y el vendedor. Algunas de las áreas con problemas que requieren consideraciones
de diseño para los sistemas de alimentación se listan a continuación.
6.3.1
Definición de las variables
1. Presión disponible en el incinerador.
2. Temperatura de la corriente en el incinerador.
3. Flujo: máximo, mínimo y nominal.
4. Viscosidad de los líquidos, pesos moleculares de los gases, densidades de
los sólidos.
5. Poder calorífico: Todos los posibles extremos deben ser definidos y de
acuerdo a éstos diseñar el incinerador. Por ejemplo, si una corriente de
humo llega a ser rica en hidrocarburos debido a problemas en la unidad,
se podría sobrecalentar el incinerador y dañarse a menos que haya sido
diseñado par este caso.
6. Contaminantes: Sólidos inorgánicos, reactivos químicos, elementos
tóxicos (por ejemplo, contaminantes al proceso de incineración).
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Corrientes de desechos líquidos
1. Bombeo: Si la corriente tiene sólidos abrasivos se pueden desgastar partes
de la bomba, reducir el flujo en líneas largas de baja velocidad o estancarse
el flujo.
2. Medición y control del flujo: Se requieren tipos especiales de medidores
para líquidos de alta viscosidad y para líquidos que contienen sólidos.
3. Fluidizar el fluido: Para manejar corrientes pesadas durante arranques,
paradas, etc.
4. Flujo de recirculación: Generalmente 10–50 a 1 para corrientes de alta
viscosidad. Se requieren los detalles del sistema de control.
5. Almacenaje de retención: si es posible, varios días.
6. Control térmico: Esencial en corrientes de alta viscosidad o en corrientes
con variaciones grandes del poder calorífico.
7. Capacidad de purga: Para paradas en manual o en automático. Durante
arranques o paradas se recomienda usar aceite en corrientes que
contienen líquidos pesados o alto contenido de sólidos.
8. Pretratamiento: Despojamiento de agua, sedimentación de sólidos,
espesamiento, etc.
9. Filtración: Generalmente, no se aplica debido a que muchas de las
corrientes de desechos líquidos poseen alto contenido de sólidos.
6.3.3
Corrientes de desechos gaseosos
1. Se requieren atrapadores de llamas. Se requiere protección contra el
retorno de la llama para aislar la cámara de combustión de los equipos del
proceso. Los atrapadores de llamas son adecuados para servicios
normales, pero no son efectivos en servicios con alto grado de
ensuciamiento o con altas temperaturas.
2. Drenajes y separador de líquido: El condensado puede ser enviado al
incinerador o al drenaje; pero debe ser especificado durante el diseño del
incinerador.
3. Precalentar para vaporizar condensado y reducir los requerimientos de
combustible auxiliar.
4. No siempre se requiere control de flujo y además este tipo de control es
costoso.
6.3.4
Corrientes de desechos sólidos (generalmente no se queman en las
refinerías)
1. Sistema de manejo: Están disponibles varios tipos; rejas, alimentadores de
rosca, etc.
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2. Control de carga de alimentación: El poder calorífico del desecho varía
enormemente, por lo que debe ser controlado.
3. Contenido de cenizas: Los inorgánicos pueden ser separados para eliminar
los problemas de efluentes de gas de combustión.
4. Pretratamiento: Remover metales, vidrios, etc.
6.3.5
Unidades de lecho fluidizado
1. Bombas y líneas de alimentación: Se utiliza un múltiple en vez de un control
individual para inyección más uniforme del desecho en el lecho.
2. Pretratamiento: despojamiento de agua y espesamiento, basado en
ahorros potenciales del combustible.
6.4
Cámara de combustión
La cámara de combustión consiste de un conjunto de quemador y cámara. El
quemador atomiza el desecho y/o suministra combustible auxiliar de combustión
para oxidar el desecho. El desecho es oxidado por permanecer en la cámara de
combustión el tiempo requerido para obtener el grado deseado de conversión en
los productos inocuos del gas de combustión.
6.4.1
Consideraciones de diseño para los quemadores
1. Desechos líquidos
a.
Pilotos: Pueden ser intermitentes o pueden usar encendedores con
un detector ultravioleta como un control primario.
b.
Combustible auxiliar: La distribución de calor es importante para las
instalaciones con varios quemadores, especialmente con
posiciones diferentes de inyección de desecho.
c.
Corrientes contaminadas con sólidos: Estas corrientes requieren
quemadores múltiples con capacidad de reserva suficiente para un
adecuado mantenimiento.
d.
Medio de atomización: Los requerimientos deben ser especificados
para un uso máximo de vapor y a una presión máxima.
e.
Mantenimiento: Tanto la pistola como los quemadores deben ser
fácilmente removibles.
2. Desechos gaseosos
a.
Piloto: debe ser un sistema seguro y confiable. Se puede considerar
a los quemadores auxiliares como el piloto para corrientes con bajo
poder calorífico o para corrientes con alto contenido de agua o
condensado.
b.
Mantenimiento: Debido a que por lo general la capacidad de
retención de gases no está disponible, se debe utilizar el esquema
del mechurrio para desviar cuando se requiera mantenimiento.
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Quemadores de rejilla: Los pilotos deben ser distribuidos a través de
la rejilla y no en un solo sitio. Se deben evitar muchos orificios
pequeños de gas combustible auxiliar.
3. Unidades combinadas – Nunca se debe mezclar el gas combustible
auxiliar y los desechos líquidos en un mismo quemador. Utilice siempre dos
o más quemadores con la llama interceptada.
4. Unidades de lecho fluidizado
6.4.2
a.
Las lanzas deben ser removibles para limpieza.
b.
El quemador de precalentamiento debe tener un sistema de control
separado y debe ser removible para servicio.
Consideraciones de diseño para la cámara de combustión
1. Construcción
a.
Temperatura de operación: Normalmente la temperatura máxima de
operación es de 980°C (1800°F). Por encima de esta temperatura se
pudiera requerir materiales especiales.
b.
Temperatura de diseño: 1540°C (2800°F) mínimo para el refractario
de la cámara de combustión, en otro sitio, 1100°C (2000°F). 1650°C
(3000°F) + para ladrillos refractarios donde la llama del quemador
choca con las paredes.
c.
Protección contra estallidos: Es deseable instalar alivios de presión
para liberar el calor, especialmente para corrientes variables a fin de
limitar los daños de la unidad.
d.
Contaminantes: Los materiales de construcción deben ser
chequeados para contrarrestar cualquier elemento químicamente
activo que pueda ser dirigido a la cámara o a la chimenea.
e.
Visibilidad: Las mirillas deben ser colocadas para buena
observación de todos los quemadores y de la cámara de
combustión.
f.
Instrumentos: Indicadores de temperatura para leer las
temperaturas máximas, por tal razón se recomienda no instalarlos
cerca de la salida de la cámara de combustión.
g.
Distribución de calor: El aire o el agua pueden ser usados para
controlar la temperatura de la cámara, pero sólo se aceptan diseños
probados.
h.
Acceso: Grandes puertas de acceso al nivel del piso son
recomendables para unidades que queman líquidos y que pueden
necesitar de limpieza de cenizas y de otros depósitos sólidos.
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2. Dimensionamiento
a.
Densidad calórica: El promedio para incineradores es de 310 kW/m3
(30000 BTU/hpie3), el rango común es de 100 a 625 kW/m3 (10000
BTU/hpie 3 a 60000 BTU/hpie3).
b.
Conversión: El tiempo a la temperatura es el criterio modelo para
cada corriente, por lo que debe ser suplido por el vendedor para
porcentajes de conversión específicos. Cualquier valor menor o
mayor que 0.5–1.0 s a 600–815°C (1100–1500°F) debe ser
cuestionado.
c.
Unidades por encima de 980°C (1800°F): Para casos especiales
únicamente.
3. Control térmico
6.5
a.
Puertas de aire: Deben ser ajustables desde la plataforma.
b.
Tiro forzado: Puede ser controlado automáticamente por medio de
un ventilador con paletas guías.
c.
Rociadores de agua: Pueden arruinar el refractario por choque
térmico sino están en la posición adecuada o si el agua no es
suficientemente atomizada.
d.
Control del efluente: Los materiales del sistema de depuración se
basan frecuentemente en la temperatura del gas de combustión.
Sistema de control
General – Los controles generalmente son suministrados con el incinerador. Los
vendedores han desarrollado paneles y esquemas de control para sus equipos y
por lo general suministran estos controles ya probados con las unidades. Por lo
general, ellos son aceptados si han sido demostrados por lo menos en otra
aplicación. En la mayoría de los casos, no es necesario comprobarla en una
aplicación con una corriente de desecho similar, debido a que los controles son
más o menos los mismos para todas las unidades, aun en unidades de diferentes
tamaños.
Requerimientos adicionales – La especificación de servicio por lo general
estipula algunos puntos adicionales:
1. Cuales instrumentos, alarmas y controles irán en paralelo con la sala de
control.
2. Algunas veces se requieren indicadores adicionales para arrancar o alinear
la unidad o para asegurar que se reúnen los requerimientos de diseño.
3. Considerar si cualquier dispositivo automático extra es ventajoso.
4. Después de cualquier parada automática, se recomienda energizar
nuevamente la unidad pero en manual.
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Recuperación de calor
Frecuentemente, los incineradores pueden usar calor recuperado para reducir sus
costos de operación. Sin embargo, la recuperación de calor para suplir vapor
esencial, o para cualquier proceso crítico, es riesgoso por lo que debe evitarse. El
precalentamiento de la corriente de desecho para reducir requerimientos de
combustible auxiliar en el incinerador es la alternativa más atractiva para sistemas
de recuperación de calor.
6.6.1
Tipos de precalentadores
1. Regenerativo (Ljungstrom)
2. De tubos y carcaza
3. Módulos prefabricados
4. Fuego directo
6.6.2
Desventajas de la RECUPERACIÓN DE Calor:
1. Inversión – Generalmente, son necesarios materiales de altas
temperaturas. Muchas corrientes pueden causar corrosión y
ensuciamiento especialmente durante desajustes.
2. Mantenimiento – Alto, especialmente para corrientes de desechos sucios.
3. Confiabilidad – La mayoría de los incineradores diseñados para
conservar energía por medio de precalentamiento de la corriente de
desecho no pueden operar (excepto a carga muy bajas) si la corriente no
ha sido precalentada, debido a que no son diseñadas para quemar
suficiente combustible auxiliar para compensar la carga calórica. También,
se deben tomar consideraciones para el arranque del calentador.
6.7
Sistema de control del efluente
Este varía grandemente de un sitio a otro debido a las regulaciones del control del
medio ambiente, por lo que cada proyecto en particular debe investigar
cuidadosamente la legislación existente y sus posibles tendencias. Esto debe ser
realizado al comienzo del proyecto, debido a que el equipo de tratamiento del gas
de combustión puede duplicar los costos del sistema de incineración. Los puntos
que pueden afectar considerablemente el costo y la operación de los sistemas de
control de efluentes son:
– Enfriamiento de los gases de escape – para reducir los requerimientos de
materiales.
– Ducto del incinerador por una chimenea – común para diluir los gases.
(el control de temperatura es requerido para evitar excesos en los límites de
la temperatura del material).
– Depuración del agua – puede causar problemas de contaminación.
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– Venteo de los gases de las corrientes de desecho cuando el incinerador es
parado de emergencia.
7
PREPARACION DE LAS ESPECIFICACIONES DE TRABAJO
La siguiente lista de comprobación muestra los puntos cubiertos normalmente en
las especificaciones de servicio del incinerador. Para detalles de cada punto
refiérase a las consideraciones de diseño.
1. Características de la corriente de desecho
• Incluye todas las propiedades, flujos poderes caloríficos, cenizas,
contaminantes.
• Para corrientes nuevas y difíciles, determine la factibilidad del
incinerador antes de proceder con las especificaciones de servicio.
• Defina la dinámica de las corrientes.
• Pronostique cambios futuros de la calidad y cantidad de la corriente.
2. Tipo de operación requerida
• Especifique operación continua vs. intermitente, manual vs.
automática; especialmente se deben dar detalles de las unidades de
operación compleja (multi–corrientes).
3. Calidad requerida del efluente
• Proporcione información de todas las leyes de control de
contaminación local.
– Los límites pronosticados deben ser impuestos por la legislación
competente.
– Defina cual ley existente debe cumplir.
• Incluya las especificaciones del agua, especificaciones del aire,
especificaciones de ruido, concentraciones al nivel del piso para el
diseño de la chimenea.
4. Especificaciones de servicios
• Dar las características del combustible auxiliar, vapor, aire,
electricidad y combustible piloto.
• Especifique el sitio de área disponible.
• Suministre los datos de costos de servicios para las evaluaciones
económicas.
5. Interfaces entre el vendedor–suplidor
• Describa las interfaces con el sistema de alimentación, servicios,
chimenea, fundación, etc.
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6. Costos de instalación
• Solicite que el vendedor estime los costos de instalación y suministre
detalles generales de las subsecciones fabricadas.
7. Sistemas y controles de alimentación
• Especifique los puntos del equipo que el vendedor va a suministrar y
lo que será suministrado por el contratista.
– Generalmente, se compran controles de un mismo modelo.
– Por lo general, el contratista suministra el sistema de alimentación.
• Indique los controles que deben ser instalados en la sala de control.
• Generalmente, instale purgas automáticas durante el arranque y
encendido.
• Especifique la capacidad de retención para desechos líquidos.
• Especifique como manejar desechos gaseosos durante paradas de la
unidad (venteos, mechurrio, etc.).
8. Cámara de combustión y quemadores
• Se aceptan quemadores de tiro natural o forzado.
• Especifique la fácil remoción de los quemadores y pistolas para su
mantenimiento sin tener que parar la unidad.
• Exija suficientes mirillas a diferentes elevaciones para visualizar cada
quemador y casi toda la cámara de combustión en la zona de
combustión.
• Los
requerimientos
de
ruido
deben
cumplir
con
PDVSA–MID–SN–252: “Control de ruidos en equipos”.
• Si se van a quemar desechos sólidos o líquidos con alto contenido de
cenizas, se debe proporcionar suficiente acceso para limpiar y hacerle
mantenimiento a la cámara de combustión. Es posible considerar dos
cámaras.
• Las compuertas de entrada del aire y los reguladores de tiro debe ser
ajustados desde la plataforma.
9. Controles
• El vendedor debe suministrar los dibujos de control y las instrucciones
de operación detallando todas las funciones del sistema de control y
seguridad.
• El sistema de control debe incluir protección contra extinción de llamas
similar a los requeridos por los MID de hornos y calderas. Nótese que
casi todos los incineradores son construidos con tales sistemas, pero
cada uno debe ser cuidadosamente revisado para ver si es compatible
con MID.
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Las áreas con problemas típicos son:
– Las llamas de muchas corrientes de desecho no pueden funcionar
con detectores de llama de tipo ultravioleta. Por lo tanto, se pueden
usar detectores del tipo infrarrojo, si se tiene cuidado de asegurar la
protección adecuada de la llama. Si se utiliza calor de combustión
para la generación de vapor o para la recuperación de calor del
proceso, el combustor del incinerador debe cumplir todos los
criterios de los MID en lo que a sistemas de extinción de
llamas/seguridad se refiere.
10. Recuperación de calor
• Especifique que el balance de calor de la unidad sin recuperación de
calor es tal, que la unidad cumple con los límites requeridos en caso
de una falla del intercambiador de calor.
• Si se desea, se puede instalar un desvío en el intercambiador de calor.
• Especificar la composición del gas de combustión, el porcentaje de
conversión del desecho, etc. para el caso en que no haya
recuperación de calor.
• Para información adicional, refiérase a los MID y MDP de
Intercambiadores de Calor.
8
NORMAS PARA LOS ANALISIS DE DEMOSTRACION
Debido a los requerimientos únicos de cada incinerador, a la falta de uniformidad
y a la carencia de experiencia del vendedor en la industria, es común exigir
un análisis de demostración de cualquier diseño del incinerador antes de hacer el
contrato. Para corrientes no usuales, estos análisis de demostración/confiabilidad
deben hacerse tan pronto como sea posible, para tener tiempo durante el
desarrollo del mismo. Los requerimientos de análisis deben ser realizados en
unidades existentes, dependiendo de los objetivos. Estos objetivos son para
suministrar datos que prueben la aceptabilidad de todos los otros sub–sistemas
en un diseño dado del incinerador. Los vendedores cooperan en estos esfuerzos
y conducen análisis a un costo nominal, con el fin de obtener negociaciones
futuras.
Disponibilidad de muestra de corriente de desecho
En muchos casos, es difícil obtener una muestra representativa con todas las
trazas contaminantes. En tales casos, será necesario simular la corriente tan
precisa como sea posible y con todos los parámetros posibles. Los parámetros de
interés particular son: viscosidad, contenido de cenizas, contenido de sólidos y
tamaño de las partículas, poder calorífico, contenido de agua o inertes.
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Objetivos múltiples obtenidos de los análisis
Por lo general, el vendedor prueba si la corriente es o no capaz de mantener la
combustión a los límites deseados de conversión, con o sin combustible auxiliar
en su diseño particular de la cámara de combustión. Aunque este es el primer
objetivo de cualquier análisis de incineración, se deben obtener datos para el
diseño del manejo de la alimentación y sistemas de emisión de control.
Los datos del sistema de alimentación deben incluir rangos de temperatura,
bombeo, viscosidad, presión requerida y recirculación requerida. Los controles
deben ser verificados para dimensionar los orificios y los cierres de combustión.
Lo más recomendable sería que todo el sistema de control pudiera ser utilizado
durante el análisis.
Los análisis de combustión deben suministrar datos para los requerimientos de
atomización con vapor, puntas perforadas, revestimiento refractario, combustible
auxiliar y conversión de la corriente (tiempo, temperatura en función del % de
conversión). Finalmente, los gases de combustión deben ser muestreados por
personal con experiencia o por un laboratorio independiente, para determinar los
requerimientos de tratamientos del gas de combustión. Se debe hacer análisis
completos a varias muestras para determinar la composición y el tamaño de la
partícula.