¿Cámara de combustión metálica o de refractario?

Principios para la correcta elección de una caldera de biomasa

Josep Vergés, responsable técnico y de formación en Grupo Nova Energía

20/01/2014
En el mercado existen diferentes modelos de calderas, algunas disponen de cámaras de combustión de chapa y otras de ladrillo refractario. No se puede decir, sin antes analizar las necesidades concretas de cada usuario, si es mejor una cámara de metal o refractario. En este artículo analizaremos las ventajas de los dos tipos para dar al usuario o instalador las claves para elegir correctamente una caldera de biomasa.

¿Qué es una cámara de combustión?

La cámara de combustión es toda la zona donde se produce la combustión en una caldera, y en la que se pueden distinguir claramente 3 partes: La primera es la zona donde el combustible se mezcla con el aire primario y, por medio de una combustión parcial, se gasifica la biomasa, es decir, se transforma en gas combustible. En el caso de las estufas o calderas de eflorescencia (carga desde abajo) equivaldría al crisol, en quemadores sería la parrilla fija y en calderas grandes la parrilla móvil.

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Caldera de pellet para hueso de aceituna con cámara de combustión metálica.

La segunda, es la zona donde se puede observar claramente una llama y donde suele entrar el aire secundario. Y finalmente, la tercera está compuesta por el resto de cámara donde no hay llama visible. En esta parte se sigue produciendo combustión, pero la concentración de oxidaciones es baja e invisible a simple vista, aunque es una zona clave para la reducción de CO e inquemados. En algunas cámaras este espacio se encuentra separado y entonces se denomina cámara de postcombustión.

Como norma general, las cámaras de combustión tienen un rango de temperatura de trabajo óptimo situado entre los 600 y 900°C. Por debajo de esa temperatura los inquemados y CO aumentan de forma muy patente. Y en el caso contrario, por encima de esa temperatura, se disparan los niveles de NOx por oxidación del nitrógeno del aire, y también provocan la necesidad de usar materiales más resistentes y costosos en la construcción de las cámaras.

La temperatura de la llama depende de la humedad, densidad y poder calorífico del material a quemar, que provoca que ésta sea mucho más elevada o mucho más baja.

¿De qué materiales puede estar fabricada una cámara de combustión?

Las distintas partes de la cámara de combustión están típicamente formadas de metales, a las que se les puede añadir o no un recubrimiento de material refractario en función de las necesidades.

Metal

Se trata de chapa o fundición, normalmente procedente de aleaciones de aceros inoxidables varios. Aunque a simple vista las diferentes cámaras de combustión puedan parecer iguales, pueden existir grandes diferencias en las características del metal en las que han sido producidas, pues dependiendo de los otros elementos aleados con el hierro, su comportamiento frente al uso cotidiano puede variar drásticamente.

Este material tiene que ser capaz de resistir las elevadas temperaturas de trabajo y los elementos químicos presentes en la combustión de biomasa sin sufrir problemas. En el caso que se supere la temperatura de trabajo de ese metal, su cristalización interna se modifica causando que se fragilice y deforme y deje de ser inoxidable.

Cuanta más resistencia a las altas temperaturas y a la oxidación, será más difícil y costosa su mecanización y/o soldado, además de mucho más caro el metal en sí. Esta es una de las razones por las que las calderas de calidad son más caras, aunque a simple vista puedan parecer similares a otras más económicas.

Refractario

Se trata de piezas fabricadas con cemento refractario, a las que se le dan una forma concreta para que se adapten al equipo, o, en el caso de las calderas grandes, ladrillos con los que se forma un muro.

En este caso, también existen distintos tipos de material refractario, el comportamiento del cual puede variar mucho en función de las temperaturas y elementos químicos de la combustión. Por ejemplo, un refractario que funciona perfectamente con pellet, se puede deshacer usando hueso de aceituna, y otro no tener ningún problema con ambos combustible. Por este motivo, también es muy importante su correcta elección.

¿Cámara de combustión de metal o de refractario?

Donde hay que elegir entre una cámara de combustión de metal o de material refractario es en la zona de combustión y postcombustión. Ya que la zona del crisol o parrilla (fija o móvil) siempre es metálica (chapa o fundición) por la sencilla razón de que la fricción del combustible desgastaría rápidamente el material refractario, y dificultaría la realización de los agujeros del aire primario a la medida y distancia adecuados.

En el caso de que se queme un material seco con alto poder calorífico, como el pellet o hueso de aceituna seco, se alcanzará una temperatura de llama muy alta, por lo que tenderemos a drenar o evacuar energía rápidamente en el envolvente para mantener una temperatura dentro de la cámara de combustión no demasiado elevada. Por lo tanto, en equipos pequeños optaremos por cámaras de combustión metálicas (normalmente ya enfriadas por el agua), lo que conllevará menor inercia térmica y menores tiempos de respuesta. En los equipos grandes, que suelen fabricarse con materiales refractarios, se deberá instalar un sistema de recirculación de humos que garantizará una combustión óptima y eficiente en todo momento, aún con altas temperaturas de llama.

Por el contrario, cuando se queme un material más húmedo (como las astillas), con baja densidad (como la cáscara de almendra) o con bajo poder calorífico (biomasas varias), conseguiremos una llama de baja temperatura, por lo que será necesario intentar conservar al máximo la temperatura de la cámara de combustión para que la combustión (y emisiones) sea buena. En este caso, la mejor opción será el refractario.

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Caldera policombustible de elevada potencia con cámara de combustión refractaria.

Muchas veces la biomasa no es un combustible con características homogéneas, sobre todo si hablamos de astillas de madera o residuos leñosos procedentes de la industria agroalimentaria. La inercia térmica del refractario permite paliar las diferencias y mantener una temperatura constante en la cámara de combustión, un factor determinante para lograr una buena combustión, bajas emisiones, y facilitar la regulación de los parámetros importantes que rigen el control del equipo.

La inercia térmica del refractario también permite mantener cierto nivel de temperatura en la caldera durante más tiempo, de forma que no sea necesario arrancar en frío tantas veces, ya que por encima de cierto umbral solamente añadiendo más combustible en la parilla y aportando aire conseguiremos arrancar de nuevo.

Dicho de otra manera, conseguimos que los cambios de temperatura de todos los materiales de la caldera (tanto de acero como el refractario) sean más lentos, tanto para calentar como para enfriar. Esto es muy beneficioso para los materiales, ya que se dilatan y encogen menos y más lentamente, lo que se traduce en una mayor vida útil de los materiales y los equipos.

Conclusiones

Si solamente quemamos pellet o hueso de aceituna seco, una cámara de combustión metálica puede ser una buena opción, siempre que los metales y el diseño sean los adecuados. Si por el contrario quemamos materiales húmedos, poco densos, de bajo poder calorífico y con características variables, optaremos por materiales refractarios.

Si necesitamos poder quemar indistintamente materiales con alta y baja temperatura de llama en el mismo equipo, será necesario el refractario, pero con un sistema de recirculación de humos para controlar de forma óptima la temperatura.

En todos los casos, es importante destacar que el ladrillo refractario es de fácil y rápido arreglo mientras que la corrosión en una cámara de combustión de chapa requerirá, muy probablemente, el cambio de la caldera.

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