Caldera de calor residual para centrales eléctricas

Las características principales de las calderas de calor residual en el sector industrial son su adaptabilidad y alta tolerancia a las condiciones de funcionamiento. El calor residual de la producción industrial (como la fundición de acero, productos químicos, cemento y metales no ferrosos) proviene de fuentes complejas, con grandes fluctuaciones de temperatura (que van desde gases de combustión a baja temperatura a 200°C hasta escoria a alta temperatura a más de 1000°C). Los gases de combustión suelen contener polvo y gases corrosivos (como sulfuros y óxidos de nitrógeno). Por lo tanto, estas calderas requieren diseños específicos. Por ejemplo, las calderas de calor residual para máquinas de sinterización en la industria del acero a menudo utilizan estructuras de pared de tipo membrana para mejorar la resistencia al desgaste. La industria química, por otro lado, se centra en recubrimientos anticorrosión y dispositivos de purificación y pretratamiento de gases de combustión para prevenir la corrosión por punto de rocío ácido. Además, el aprovechamiento del calor residual industrial debe integrarse con los procesos de producción. Las calderas ofrecen una capacidad flexible (que va desde unas pocas toneladas hasta cientos de toneladas de capacidad de evaporación) y a menudo están diseñadas como sistemas modulares o montados sobre patines para facilitar la integración con las líneas de producción existentes, priorizando las propias necesidades de vapor o de generación de energía de la planta, reduciendo así el consumo de energía industrial.

Las calderas de calor residual en el sector energético, centradas en una "coordinación eficiente y una producción estable", se utilizan principalmente en sistemas de turbinas de gas de ciclo combinado (CCGT) o en sistemas de desulfuración y desnitrificación en centrales eléctricas alimentadas con carbón. Los gases de combustión a alta temperatura (aproximadamente 500-600 °C) emitidos por las turbinas de gas son relativamente limpios. Las calderas a menudo utilizan un diseño de "recalentamiento a triple presión" o "multipresión" para maximizar el calor de los gases de combustión, generando vapor con parámetros variables para impulsar turbinas de vapor para la generación de energía. En general, la eficiencia del ciclo combinado puede alcanzar más del 60%. Además, el sector energético impone exigencias extremadamente altas a la estabilidad operativa de las calderas, lo que requiere un arranque y apagado rápidos y una regulación de carga variable para adaptarse a las fluctuaciones de carga de la red. Además, se cumplen estrictas normas medioambientales y las temperaturas de los gases de combustión se mantienen por debajo de los 100°C. Algunos también incorporan economizadores de baja presión para recuperar aún más el calor residual y mejorar la eficiencia general de la central eléctrica.

Las calderas de calor residual en este sector enfatizan la resistencia a la contaminación y la compatibilidad ambiental. En la incineración de residuos, los gases de combustión contienen componentes corrosivos como cloro y azufre, así como cenizas volantes. Por lo tanto, las calderas deben construirse con materiales resistentes a la corrosión (como acero ND) y diseñarse con estructuras de superficie de calentamiento especializadas (como tubos con aletas en espiral) para reducir la acumulación de cenizas y la corrosión. También se deben instalar dispositivos de eliminación de polvo y desacidificación de alta eficiencia para garantizar que las emisiones de gases de combustión cumplan con las normas. En el sector de las energías renovables (como la generación de energía de biomasa y la generación de energía térmica fotovoltaica/solar), el calor residual a menudo proviene de los gases de combustión de biomasa (que contienen metales alcalinos y son propensos a la coquización) o del calor residual de baja temperatura de los sistemas solares térmicos. Los diseños de los hornos de caldera deben optimizarse para adaptarse a las características del combustible. Por ejemplo, las calderas de calor residual de biomasa pueden incorporar dispositivos de descoquización, mientras que las calderas de generación de energía térmica fotovoltaica/solar se centran en la recuperación eficiente del calor residual a baja temperatura (como diseños de vapor de bajos parámetros adaptados para el ciclo orgánico de Rankine (ORC)). Estas calderas equilibran la protección del medio ambiente con las especificidades del uso de energía renovable, ayudando a alcanzar el doble objetivo de "utilización de recursos residuales" y "complementación de energía limpia"

El tipo más popular recupera el calor residual de los gases de combustión descargados del conducto de escape de las calderas (por ejemplo, calderas de carbón, de gas y de biomasa). Las temperaturas de los gases de combustión suelen oscilar entre 120 y 400°C y el medio de calentamiento es agua de alimentación de la caldera. El objetivo principal es reducir las temperaturas de los gases de combustión y mejorar la eficiencia térmica de la caldera. El diseño debe adaptarse al volumen de gases de combustión de la caldera y a las fluctuaciones de temperatura. Normalmente está dispuesto en serie con un precalentador de aire (con un economizador colocado después del precalentador de aire para recuperar los gases de combustión más fríos). La estructura suele ser de tipo tubo con aletas serpentinas o espirales. Los materiales utilizados incluyen acero al carbono, acero ND o acero resistente al calor, dependiendo de la composición de los gases de combustión. Los economizadores de gases de combustión de cola de caldera se utilizan ampliamente en calderas alimentadas con carbón, petróleo, gas y calor residual. Cuando los gases de combustión a alta temperatura generados por la combustión ingresan al conducto de cola, todavía contienen una cantidad significativa de calor utilizable. El economizador transfiere calor de los gases de combustión al agua de alimentación fría que ingresa a la caldera a través de haces de tubos o tubos con aletas, reduciendo así la temperatura de los gases de combustión, aumentando la temperatura del agua de alimentación, reduciendo la carga térmica de la combustión del combustible y mejorando la eficiencia de la caldera. Los economizadores de escape de calderas son dispositivos esenciales de ahorro de energía en los sistemas de calderas. Al recuperar eficazmente el calor residual de los gases de escape, precalentar el agua de alimentación de la caldera y reducir el consumo de combustible, no solo mejoran la eficiencia térmica de la caldera sino que también reducen las emisiones contaminantes ambientales, lo que los convierte en una herramienta clave para lograr la conservación de energía, la reducción del consumo y la producción ecológica.

La recuperación del calor residual de los gases de escape de los hornos industriales (como hornos cerámicos, hornos de vidrio y hornos metalúrgicos) implica variaciones significativas en la temperatura de los gases de combustión (las temperaturas de escape de los hornos cerámicos pueden alcanzar los 500-600°C, las de los hornos de vidrio los 400-500°C) y los gases de combustión pueden contener polvo (por ejemplo, polvo de arcilla en los hornos cerámicos) y medios corrosivos (por ejemplo, sulfuros en hornos metalurgia). El diseño del módulo requiere características mejoradas de "resistencia a altas temperaturas y antiobstrucción": se deben utilizar materiales resistentes a altas temperaturas (por ejemplo, 12Cr1MoVG, Incoloy 800H), se deben aumentar los espacios entre los tubos para evitar la obstrucción del polvo y se deben instalar dispositivos de soplado de hollín con vapor a alta presión. Además del agua de alimentación de la caldera, el medio calentado también se puede utilizar para calentar agua de proceso (por ejemplo, agua para pulpa en fábricas de cerámica), logrando un "aprovechamiento en cascada del calor residual"

Recuperar el calor residual de los gases de escape de los equipos de procesos químicos y petroquímicos, como los gases de combustión de los calentadores atmosféricos y de vacío de las refinerías y las torres de síntesis de carbón a metanol. Las temperaturas de los gases de combustión oscilan entre 250 y 400°C y contienen medios inflamables, explosivos o corrosivos como H₂S, Cl⁻ y CO. El módulo debe cumplir con los requisitos de ser a prueba de explosiones, resistente a la corrosión y adaptable a condiciones de funcionamiento variables. Utiliza un colector sellado (para evitar fugas de gas combustible) hecho de 316L o aleación a base de níquel. También integra sensores de monitoreo de temperatura, presión y concentración de gases combustibles. Cuando la carga del proceso fluctúa (por ejemplo, cuando la carga de una refinería aumenta del 80% al 100%), puede ajustar el flujo de agua de alimentación para mantener un intercambio de calor estable y evitar el sobrecalentamiento o la sobrepresión.

Los tubos con aletas espirales son componentes de intercambio de calor altamente eficientes formados mecanizando o envolviendo aletas espirales alrededor de la superficie exterior de un tubo base (generalmente un tubo metálico redondo). Se utilizan ampliamente en calderas, intercambiadores de calor, acondicionadores de aire, equipos de refrigeración y otras aplicaciones que requieren una transferencia de calor mejorada. Su concepto de diseño principal es aumentar el área de transferencia de calor, mejorando así la eficiencia del intercambio de calor entre el fluido (generalmente gas o líquido fuera del tubo) y el medio dentro del tubo. Los tubos con aletas espirales se utilizan ampliamente en calderas, petroquímicos, metalurgia, generación de energía y sistemas de recuperación de calor residual, y son un componente central de los equipos de intercambio de calor industrial. Las aletas espirales aumentan significativamente la superficie del tubo, mejorando la capacidad de transferencia de calor en el lado de los gases de combustión o del fluido. Si bien mantienen la misma capacidad de transferencia de calor, pueden reducir significativamente el volumen del intercambiador de calor. Las aletas y el tubo base se pueden fabricar mediante soldadura de alta frecuencia, extrusión integral o procesos de bobinado, lo que da como resultado una unión firme, un excelente rendimiento de transferencia de calor y una gran durabilidad. Los espesores de las aletas varían de 0,8 a 2 mm, lo que proporciona una alta resistencia mecánica y la capacidad de soportar la erosión de los gases de combustión y un funcionamiento prolongado a alta temperatura. Se pueden seleccionar materiales resistentes a la corrosión, como acero inoxidable y acero aleado, según sea necesario para adaptarse a condiciones operativas ácidas o de alta humedad. Mejora la eficiencia térmica de calderas y unidades de recuperación de calor residual, reduciendo el consumo de combustible y los costes operativos. Esta tecnología ofrece importantes ahorros de energía en centrales eléctricas y en el aprovechamiento del calor residual industrial. La altura, el paso y el espesor de las aletas se pueden personalizar de manera flexible para adaptarse a diferentes caudales, temperaturas y condiciones del medio.

Los tubos de calor son componentes que utilizan cambios de fase (evaporación y condensación) de un fluido de trabajo para lograr una transferencia de calor eficiente. Cuentan con fuertes capacidades de transferencia de calor, gradientes de temperatura mínimos y una estructura compacta, lo que los hace ampliamente utilizados en energía, química, electrónica, aeroespacial y otros campos. En los sistemas de calderas de centrales eléctricas, los tubos de calor, como componentes de transferencia de calor altamente eficientes, aprovechan su "superconductividad" y su diseño estructural flexible para abordar eficazmente los puntos débiles de los equipos tradicionales de intercambio de calor en la recuperación de calor residual, la protección contra la corrosión a baja temperatura y la optimización de la superficie de calentamiento. Se han convertido en una tecnología clave para mejorar la eficiencia térmica de las calderas y reducir el consumo energético. Los materiales de la carcasa y del tubo incluyen acero al carbono, acero inoxidable, cobre y aleación de aluminio, según las condiciones de operación y los requisitos del medio. Los medios de trabajo incluyen agua, amoníaco, metanol y aleaciones de sodio y potasio, adaptándose a diversos rangos de temperatura (transferencia de calor a baja, media y alta temperatura). Los tubos de calor normalmente se evacuan y se llenan con una pequeña cantidad de fluido de trabajo. El calor se absorbe en un extremo del tubo de calor y el fluido evaporado se transfiere rápidamente al otro extremo, liberando calor y condensándose nuevamente, formando así un ciclo de transferencia de calor por cambio de fase. Pueden transferir grandes cantidades de calor incluso con un pequeño gradiente de temperatura y su conductividad térmica es más de diez veces mayor que la de metales como el cobre y el aluminio. Los tubos de calor proporcionan una distribución uniforme de la temperatura a lo largo de la dirección axial, evitando eficazmente el estrés térmico en los equipos causado por grandes diferencias de temperatura. El calor se puede transferir a través de una tubería larga, logrando una "transferencia de calor a larga distancia" en el espacio. Hay opciones flexibles de materiales de carcasa y tubos y materiales de fluidos de trabajo disponibles para satisfacer las necesidades de entornos de alta temperatura, baja temperatura, corrosivos o especiales.

El tubo con aletas tipo H es un elemento de transferencia de calor mejorado y altamente eficiente. Llamado así por su sección transversal de aleta en forma de H, también se le conoce comúnmente como "tubo de doble aleta" o "tubo de aleta plana" Su diseño estructural único mejora la eficiencia de la transferencia de calor al tiempo que aborda eficazmente la acumulación de polvo y los problemas de alta resistencia de los tubos con aletas tradicionales. Se utiliza ampliamente en calderas de centrales eléctricas, calderas de calor residual, intercambiadores de calor industriales y otras aplicaciones donde hay gases de combustión cargados de polvo o se requiere un funcionamiento de baja resistencia. Las aletas tipo H dividen el flujo de gases de combustión, mejorando la turbulencia de los gases de combustión, reduciendo la resistencia a la transferencia de calor de la película de aire y mejorando el coeficiente general de transferencia de calor. En comparación con los tubos tradicionales con aletas en espiral, el área de calentamiento se puede aumentar 1,5–2 veces. Las aletas tipo H ofrecen baja resistencia y fuerte resistencia a la acumulación de polvo, creando canales paralelos entre las aletas para una baja resistencia al flujo de gases de combustión. Su estructura geométrica única ralentiza la deposición de polvo, proporciona capacidades de autolimpieza y reduce el riesgo de obstrucciones. Las aletas se sueldan al tubo base mediante soldadura de alta frecuencia para lograr una unión segura y no desmontable. Los materiales opcionales, como el acero ND y el acero inoxidable, son resistentes al desgaste, al azufre y a los iones de cloruro, lo que prolonga la vida útil. El espesor de la pared del tubo es de ≥3 mm, capaz de soportar altas presiones y temperaturas, lo que lo hace ampliamente utilizado para la recuperación de calor residual de gases de combustión a alta temperatura. El espesor moderado de la aleta (0,3–0,4 mm) garantiza la eficiencia de transferencia de calor manteniendo al mismo tiempo una excelente resistencia mecánica. Su vida útil es significativamente más larga que la de los tubos con aletas tradicionales en condiciones de funcionamiento duras.