150–180 °C o más
Aire caliente para bagazo húmedo
Caldera · Recuperación de calor
Precalentador de aire: tipo, extremo frío y el aire caliente que el bagazo húmedo exige
El precalentador de aire cierra el tren de recuperación: toma el calor restante del gas y lo entrega al aire de combustión. En bagazo trabaja doble — cada ~20 °C menos de chimenea vale ~1 pp de eficiencia, y el aire a 150–180 °C o más es lo que seca en suspensión un combustible con ~50 % de humedad y ancla la ignición en la parrilla.
~50 % · LHV 7,2–7,5 MJ/kg
Humedad del bagazo tal como se quema
6–12 % del caudal de gas
Fuga de sellos, tipo regenerativo
115–140 °C (combustibles con azufre)
Punto de rocío ácido
01 — Función y posición
Qué hace el precalentador de aire, y por qué los combustibles húmedos no arden sin él
Cierra el tren de recuperación — y en bagazo es un equipo de combustión, no solo de eficiencia.
El precalentador de aire (APH) es la última superficie en el paso de gases, aguas abajo del economizador, y transfiere el calor restante recuperable del gas al aire de combustión. La aritmética de eficiencia es la misma de cualquier superficie del lado trasero: cada ~20 °C de reducción de temperatura de chimenea devuelve cerca de 1 punto porcentual de eficiencia de caldera. Pero en biomasa de alta humedad el APH se gana el puesto dos veces. El bagazo llega a la parrilla con ~50 % de humedad y un LHV de apenas 7,2–7,5 MJ/kg; el aire caliente a 150–180 °C o más es lo que seca el combustible en suspensión, ancla la ignición en la parrilla y mantiene la combustión estable cuando la humedad oscila tras una lluvia o una parada de molienda. Un APH subdimensionado o con fugas se manifiesta primero como condiciones de hogar inestables y carbono no quemado en aumento, y solo después como calor perdido en chimenea.
El APH se especifica como parte del lado trasero completo, junto al resto de la recuperación de calor de caldera, porque su temperatura de salida de gas fija la condición de entrada del colector de polvo y del ventilador de tiro inducido — el precipitador electrostático seco opera a ≤ 200 °C, con punto de diseño de 150–180 °C en bagazo.
02 — Selección de tipo
¿Precalentador de aire tubular o regenerativo — cuál para cada servicio?
El tubular (recuperativo) tiene fuga aire-gas nula por diseño y pasos de gas rectos y limpiables, lo que conviene al gas de biomasa cargado de ceniza erosiva; su penalización es el tamaño. El regenerativo (rotativo, tipo Ljungström) es compacto para escala de servicio público pero fuga 6–12 % del caudal de gas por sus sellos radiales y axiales — caudal que los ventiladores cargan para siempre.
La cifra de fuga merece aritmética y no un encogimiento de hombros. Tome la base recurrente de 60 t/h con ~210.000 Nm³/h de gas y un ventilador de tiro inducido absorbiendo del orden de 300 kW. Una fuga de sellos de 10 % significa que el ventilador maneja 10 % más volumen a través de una resistencia fija: la caída de presión sube con el cuadrado del caudal (×1,21) y la potencia con el cubo (×1,33) — aproximadamente 100 kW continuos adicionales, más el margen del ventilador forzado que empuja de entrada el aire fugado. Base de diseño — cálculo ilustrativo, no una garantía. Encima del costo de potencia, la fuga diluye el gas delante del colector de polvo y distorsiona el control de combustión basado en O₂. Para la clase de 30–250 t/h de biomasa e ingenio que Arrow atiende, el tubular es el estándar; los regenerativos existentes se resellan en lugar de reemplazarse.
En un APH tubular el gas normalmente circula por dentro de tubos verticales (limpiables y accesibles para retubado) con el aire en flujo cruzado por fuera, en uno a tres pasos. Con combustibles de alta ceniza aplican las mismas reglas de erosión de cualquier banco convectivo: la ceniza de bagazo y cascarilla es alta en sílice abrasiva (la de cascarilla, 85–90 % sílice amorfa), así que se limita la velocidad de entrada a los tubos, se protegen las bocas con férulas o manguitos en los primeros 150–300 mm donde se concentra el impacto del chorro, y se blinda la placa tubular superior.
03 — Metal del extremo frío
¿Por qué se corroe el extremo frío si el gas sigue sobre el punto de rocío ácido?
Porque la temperatura del metal del tubo no es el promedio de gas y aire — es la media ponderada por coeficientes de película, Tm ≈ (hgTg + haTa)/(hg + ha), y el coeficiente del lado de aire arrastra el metal hacia el aire frío. Gas a 150 °C sobre aire a 35 °C puede dejar el metal bajo un punto de rocío ácido de 120 °C.
El mecanismo: la resistencia térmica a cada lado de la pared es desigual, y la temperatura de la pared se acomoda más cerca del lado con el coeficiente de película más fuerte. En la esquina fría de un APH — el gas más frío encontrando el aire más frío — el coeficiente de flujo cruzado del aire es comparable o mayor que el del gas, así que la ponderación baja el metal muy por debajo de la media aritmética. Evaluar el extremo frío con el promedio simple de gas y aire — un atajo común — lo sobreestima en 15–30 °C y es la causa raíz de muchas fallas de extremo frío "inexplicables".
Que ese metal sea seguro depende del punto de rocío ácido del gas, fijado por el azufre del combustible: el SO₃ formado en el hogar se combina con el vapor de agua dando ácido sulfúrico cuyo rocío queda en torno a 115–140 °C para petróleo, carbón y quema mixta, cayendo hacia el rocío del agua (60–70 °C en gas de biomasa húmeda) en combustibles de azufre casi nulo. Bajo el rocío, el ácido condensado desgasta el acero al carbono a milímetros por año y pega la ceniza en depósitos duros. Contramedidas, en orden de preferencia: mantener el metal del extremo frío sobre el rocío (SCAH, bypass de aire o mayor temperatura de aire de diseño), usar acero de baja aleación tipo Corten o tubo recubierto en el bloque frío, y hacer del bloque frío un módulo apernado, sacrificial y reemplazable por separado.
04 — Serpentín de vapor (SCAH)
SCAH: el serpentín pequeño que falla primero — resumen del mecanismo
La mayoría de las fallas de SCAH son fallas de drenaje. El diseño térmico es la parte fácil.
Un serpentín de vapor (SCAH) calienta el aire frío entrante con vapor auxiliar antes del APH principal, sosteniendo el metal del extremo frío sobre el punto de rocío ácido durante arranques, baja carga y época fría. Es un intercambiador pequeño con un historial de fallas desproporcionado — y las fallas son mecánicas, no térmicas. El trazado defectuoso clásico deja tramos ascendentes en los pasos de tubo: el condensado formado en el serpentín no puede drenar contra la subida y se acumula. En cada admisión de vapor — cada arranque, cada apertura de la válvula de control — el vapor colapsa sobre el agua subenfriada atrapada y acelera la columna hasta estrellarla contra un colector o un codo. La relación de Joukowsky dimensiona el golpe: Δp = ρ·a·Δv — una columna de condensado detenida desde apenas 5 m/s (agua, velocidad de onda ~1.300 m/s) genera un pico de ~65 bar, un orden de magnitud sobre el rating de 6–16 barg de un serpentín típico. Los picos repetidos, más el ciclado térmico de tubos parcialmente inundados, producen fisuración por fatiga exactamente donde se concentra el esfuerzo: en las soldaduras de tubo a colector. El serpentín entonces fuga vapor al aire, y la planta se entera como una pérdida inexplicada de reposición del desaireador.
Los principios de diseño de Arrow eliminan la trampa en lugar de blindarla: tubos rectos sin tramos ascendentes; caída continua de 1:50 desde la entrada de vapor hasta la salida de condensado, para que el serpentín se autodrene en cualquier estado; entrada y salida en colectores opuestos; control de vapor por módulo, para que cada bloque vea vapor pleno o ninguno en lugar de varios módulos estrangulados a inundación parcial; rompedores de vacío; remoción de condensado con trampa-bomba que trabaja contra contrapresión a baja presión de vapor; y una secuencia automática de calentamiento con drenajes abiertos. Son decisiones de trazado que no cuestan nada en el plano y no se retrofitan barato después.
05 — Envolvente y materiales
Envolvente típica de servicio, materiales y base de código
Cifras de selección en base de diseño; las garantizadas se declaran por proyecto sobre base declarada.
| Unidad | Capacidad de caldera | Presión de diseño | Temperatura | Grado de material |
|---|---|---|---|---|
| APH tubular, bloque caliente | 30–170 t/h | Tiro gas/aire, carcasa ±5 kPa | Gas de entrada 250–400 °C | Acero al carbono ERW, clase SA 178 Gr A |
| APH tubular, bloque de extremo frío | 30–170 t/h | Tiro gas/aire, carcasa ±5 kPa | Metal 90–140 °C | Baja aleación tipo Corten o tubo recubierto |
| APH tubular, biomasa de potencia | 170–250 t/h | Tiro gas/aire, carcasa ±5 kPa | Aire de salida 150–220 °C | Acero al carbono, bocas de tubo protegidas |
| Módulos SCAH | Todas las clases | Vapor 6–16 barg | Vapor ≤ 204 °C sat. | SA 192 / colectores SA 106 Gr B |
Carcasas, placas tubulares y elementos de expansión se diseñan para las presiones transitorias del sistema de tiro; los serpentines SCAH son partes de presión y se diseñan, sueldan y prueban a práctica ASME Sección I / ASME IX o EN 12952, con práctica JIS en plantas de código japonés. Clases de referencia del rango: ingenio azucarero en Colombia, 230 t/h; ingenio de 170 t/h de bagazo y biomasa de 250 t/h en Tailandia — el balance de vapor del ingenio se trata en azúcar y bagazo y los resúmenes de proyecto en referencias.
Arrow Energy Co., Ltd. fabrica bloques tubulares de APH, haces de reemplazo y módulos SCAH en su fábrica de Samut Sakhon. La certificación ISO 9001:2015 (TÜV Rheinland) cubre repuestos, instalación y servicios de mantenimiento; la fabricación de partes de presión es a práctica ASME/JIS con alcance de estampe declarado por proyecto. El alcance de retrofit típicamente empareja el APH con el economizador, de modo que las dos superficies se repartan correctamente el calor disponible: el economizador baja el gas hacia la entrada de APH que mantiene el extremo frío sobre el rocío, en lugar de dimensionarse en aislamiento y pelear por los mismos 40 °C.
FAQ
Preguntas de ingeniería, respondidas
¿Precalentador de aire tubular o regenerativo — cuál conviene?
El tubular no tiene fuga aire-gas por diseño y sus pasos rectos se limpian bien — conviene al gas erosivo de biomasa; su costo es el tamaño. El regenerativo rotativo es compacto pero fuga 6–12 % del caudal por sus sellos — caudal que los ventiladores cargan para siempre. En biomasa de 30–250 t/h, el tubular es el estándar.
¿Por qué el bagazo necesita aire de combustión a 150–180 °C o más?
Porque llega a la parrilla con ~50 % de humedad y un LHV de solo 7,2–7,5 MJ/kg: el aire caliente seca el combustible en suspensión, ancla la ignición y estabiliza la combustión cuando la humedad oscila. Un precalentador subdimensionado se manifiesta primero como hogar inestable y carbono no quemado, después como calor perdido.
¿Por qué se corroe el extremo frío si el gas sigue sobre el punto de rocío?
Porque el metal no queda al promedio de gas y aire: queda a la media ponderada por coeficientes de película, y el lado de aire lo arrastra hacia el aire frío. Gas a 150 °C sobre aire a 35 °C puede dejar el metal bajo un rocío ácido de 120 °C; el promedio simple lo sobreestima en 15–30 °C.
¿Cuánto cuesta la fuga de sellos de un precalentador regenerativo?
En la base de diseño de 60 t/h (~210.000 Nm³/h, tiro inducido del orden de 300 kW), una fuga de 10 % obliga a mover 10 % más caudal: la resistencia sube con el cuadrado (×1,21) y la potencia con el cubo (×1,33) — cerca de 100 kW continuos adicionales. Cálculo ilustrativo, no garantía.
¿Por qué fallan tanto los serpentines de vapor (SCAH)?
Casi siempre por drenaje, no por diseño térmico: condensado atrapado en tramos ascendentes recibe golpes de ariete en cada admisión de vapor — una columna detenida desde 5 m/s genera picos de ~65 bar contra coils de 6–16 barg — y fatiga las soldaduras tubo-colector. El remedio es trazado autodrenante con pendiente continua de 1:50, no más espesor.
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Combustible, capacidad de caldera, caudal de gases, emisión actual y el límite que debe cumplir. Un ingeniero de Arrow responde con una base de evaluación técnica — no con un folleto.