La combustión de calderas es el estudio de cómo se queman los combustibles en las calderas que calientan el agua en forma de vapor. Hay muchas aplicaciones para las calderas de vapor, incluida la calefacción de procesos químicos, la calefacción por vapor para edificios y agua caliente, y el vapor para impulsar generadores de turbina eléctrica. La combustión es la reacción de los combustibles con el oxígeno del aire para crear calor que se utiliza para la producción de vapor.
Se puede utilizar una variedad de combustibles para la combustión de calderas, incluido el gas natural, el fueloil y los biocombustibles producidos a partir de desechos vegetales o animales. Cuando se rocía o atomiza combustible en una caldera con aire, una bobina de encendido o una pequeña llama piloto pueden encender la mezcla. La combustión libera una gran cantidad de calor, parte del cual calienta el agua hasta convertirla en vapor, y parte se pierde debido a la radiación y las pérdidas de humos. La radiación es la pérdida de calor infrarroja que se produce desde una caldera caliente a una habitación más fría. Las pérdidas de humos son gases calentados que se ventilan de la caldera a través de su chimenea o ventilación.
Los propietarios y operadores están interesados en maximizar la eficiencia de la combustión de la caldera. Los principales aspectos a considerar son la eficiencia de la combustión, o qué tan bien se queman las mezclas de aire y combustible, y cómo minimizar las pérdidas de calor. La pérdida de calor radiante se puede minimizar con un aislamiento adecuado de la caldera y las tuberías de vapor. El diseño y los controles de la caldera se pueden utilizar para maximizar la eficiencia de la combustión.
El área de combustión de una caldera normalmente tiene tubos que contienen agua y vapor que pasan a través de una caja abierta que puede contener quemadores y controles. El diseño del tubo puede mejorar la eficiencia mediante el uso de sistemas de múltiples pasadas. Los tubos de agua que ingresan a la caldera pueden pasar primero a través de la zona de gases de combustión, que toma parte del calor residual y precalienta el agua. Luego, los tubos pueden pasar a través de la zona de combustión más de una vez para utilizar completamente el calor de combustión, lo que también mejora la eficiencia.
La eficiencia de combustión de la caldera para mezclas de aire y combustible es fundamental para el funcionamiento adecuado de la caldera. Una molécula de combustible requiere una cantidad teórica de oxígeno para quemarse por completo, pero en realidad se necesita un exceso de oxígeno debido a varias pérdidas en la zona de combustión. El aire tiene aproximadamente un 21 por ciento de oxígeno, por lo que el nitrógeno no quemado en el aire también debe calentarse en la caldera y ventilarse por el conducto de humos. Esto afecta aún más la eficiencia de la caldera y produce compuestos de nitrógeno que se han relacionado con la lluvia ácida y la formación de smog.
Demasiado oxígeno reduce la temperatura de combustión de la caldera, puede crear algunos contaminantes indeseables y requiere combustible para calentar el oxígeno y el nitrógeno que no se utilizan. La falta de oxígeno puede reducir la eficiencia de la caldera y crear hollín y otros subproductos que pueden dañar la caldera con el tiempo. La investigación ha encontrado que monitorear las concentraciones de oxígeno y gas de combustión en el gas de combustión y mantener una temperatura de combustión adecuada puede optimizar el rendimiento de la caldera.
Las calderas más pequeñas se pueden ajustar manualmente utilizando sensores de gases de combustión y termómetros de gases de combustión, pero muchas calderas pueden beneficiarse de los controles automáticos. Es posible que las calderas no funcionen en un solo punto de funcionamiento, pero tendrán diferentes demandas de vapor o condiciones de funcionamiento, lo que hace que los ajustes manuales de eficiencia no sean prácticos. Las calderas más antiguas pueden actualizarse con controles electrónicos que brindan retroalimentación a las bombas de entrada de aire y combustible para brindar la mejor relación de combustión.