Guia de combustion y combustible.

1. ASIGNATURA: GENERACIÓN DE POTENCIA.<br />PROFESOR: ING. GREGORIO BERMUDEZ.<br />GUIA N°1 COMBUSTIÓN Y COMBUTIBLE<br />- DEFINICION DE COMBUSTIÓN.<br />La combustión es un conjunto de reacciones de oxidación con desprendimiento de calor, que se Producen entre dos elementos:<br />el COMBUSTIBLE, que puede ser un sólido (Carbón, Madera, etc.),<br />un líquido ( Gasóleo, Fuel-Oil, etc.) o un gas (Natural, Propano, etc.) y el COMBURENTE,<br />Oxígeno.<br />La combustión se distingue de otros procesos de oxidación lenta, por ser un proceso de oxidación<br />Rápida y con presencia de llama; a su vez también se diferencia de otros procesos de oxidación muy<br />Rápida (detonaciones, deflagraciones y explosiones) por obtenerse el mantenimiento de una llama<br />Estable.<br />Para que la combustión tenga lugar han de coexistir tres factores:<br />-- COMBUSTIBLE.<br />- COMBURENTE.<br />- ENERGIA DE ACTIVACION.<br />Figura n° 1. Triangulo de la Combustión <br />Estos tres factores se representan en el<br />Denominado triángulo de combustión, en él<br />Cual si falta alguno de los vértices la<br />Combustión no puede llevarse a cabo.<br />El comburente universal es el oxígeno, por lo<br />Que en la práctica se utiliza el aire como<br />Comburente, ya que está compuesto,<br />Prácticamente, por 21% Oxígeno (O2) y<br />79% Nitrógeno (N2); únicamente en casos especiales se utilizan atmósferas enriquecidas en oxígeno e<br />Incluso oxígeno puro (por ejemplo en soldadura). La energía de activación es el elemento<br />Desencadenante de la reacción de combustión; en los quemadores habitualmente suele obtenerse<br />Mediante una chispa eléctrica entre dos electrodos, en las calderas individuales de gas se obtiene por<br />Llama piloto, tren de chispas, etc.<br />La mayoría de los combustibles, al margen de que sean sólidos, líquidos o gaseosos, están.<br />El proceso básico de combustión es una forma especial de oxidación en que el oxígeno del aire se combina con elementos combustibles, que generalmente son carbono, hidrógeno y en menor medida azufre. Importante para los estudiosos de combustión son la termodinámica química y la cinética de la llama y velocidad de las reacciones. Se necesita una mezcla adecuada de combustible y aire, así como una temperatura de ignición para que el proceso de combustión continúe. El combustible debe prepararse de forma que se haga posible dicho proceso a través de la mezcla de combustible y aire. El término inflamabilidad se utiliza para describir la capacidad de quemarse, o realmente su habilidad para convertirse en gas de forma que la combustión pueda tener.<br />Las reacciones químicas deben satisfacer tres condiciones para que tengan lugar en el proceso de combustión:<br />Es necesaria una adecuada proporción entre combustible y oxígeno (o aire) con los elementos combustibles.<br />La mezcla de combustible y oxígeno (o aire) debe llevarse a cabo de modo que una mezcla uniforme esté presente en la zona de combustión y así cada partícula de combustible tenga aire alrededor para ayudar en la combustión. Los combustibles sólidos normalmente se convertirán primero en gas por el calor y la presencia de aire. Los combustibles líquidos se vaporizan a gas y después arden. La atomización de los líquidos incrementa su mezcla con aire y la vaporización a gas. La pulverización del carbón tendrá el mismo efecto.<br />La temperatura de ignición se establecerá y será monitorizada de forma que el combustible continúe su ignición sin calor externo cuando la combustión arranque.<br />Los elementos fundamentales que producen calor en los combustibles son el carbono, el hidrógeno y sus compuestos. Siempre son el carbono, el hidrógeno o el azufre lo que producen las reacciones químicas caloríficas al combinarse con el oxígeno. Como el oxígeno del aire se conoce que es el 23.15% en peso y el 21% en volumen (en caso de ecuaciones de combustión) puede calcularse la cantidad de aire requerido. Por ejemplo en la combustión completa del carbono, puede concluirse que se requiere 2 2/3Lb. (1.21Kg.) de oxígeno para generar 1lb. (0.454Kg.) de carbono. La cantidad de aire necesario para quemar 1Lb. (0.454Kg.) de carbono sería pues:<br /> <br />La combustión incompleta da como resultado humos y un menor rendimiento de la operación. Para obtener una combustión completa, el volumen del hogar deberá ser adecuado para permitir la combustión completa de las partículas de combustible antes de que pasen a las superficies calefactores y sean enfriadas por debajo de su temperatura de ignición.<br />Para poder mezclarse íntimamente el oxígeno con los gases y partículas del combustible que se está generando, la acción de la llama debe producir una turbulencia. La flexibilidad del control de llama puede verse afectada por el control de suministro de aire primario. Aire primario es el que conduce el combustible a los generadores o se mezcla con el combustible en los generadores o a través del lecho de combustible. <br />El aire secundario se suministra para generar el combustible de forma que el oxígeno pueda unirse en combustión en los puntos más ventajosos.<br /> Si no se suministra suficiente aire u oxígeno, la mezcla es rica en combustible; así que la llama se reduce, con una llama resultante que tiende a ser larga y con humo. La combustión tampoco es completa, y los gases (producto de la combustión) tendrán combustible no quemado, como partículas de carbono o monóxido de carbono en vez de dióxido de carbono. Se desarrollará menos calor por el proceso de combustión. Si se suministra demasiado oxígeno o aire, la mezcla y la combustión son pobres, dando lugar a una llama más corta y más limpia o clara. El exceso de aire se lleva algo del calor desprendido en el hogar y lo traslada al exterior por la chimenea. La combustión debería efectuarse siempre con exceso de aire para asegurar que todo el combustible se genera correctamente y así obtener el mejor rendimiento del desprendimiento de calor. Esto también deduce la formación de humo y depósito de hollín.<br />Cuando los gases de combustión salen por la chimenea como humo negro, es indicio de insuficiente aire. Demasiado aire, formalmente produce un denso humo blanco. Un humo transparente, ligeramente gris, saliendo de una chimenea, es signo de una relación razonablemente buena aire/combustible. Por supuesto, un análisis más exacto se hace con un analizador de gases, como el aparato de Orsat. A partir de este análisis, puede determinarse el porcentaje bien de exceso o de insuficiencia de aire.<br />ESTEQUIMETRIA DE LAS COMBUSTIONES<br />Las consideraciones siguientes se refieren al uso de aire como comburente, ya que es el utilizado en<br />la práctica totalidad de las instalaciones de calderas.<br />La estequiometría de la combustión se ocupa de las relaciones másicas y volumétricas entre<br />reactivos y productos. Los aspectos a determinar son principalmente:<br />- Aire necesario para la combustión<br />- Productos de la combustión y su composición<br />Para predecir estas cantidades es preciso referirse a un proceso ideal que dependa de unos pocos<br />parámetros, básicamente la naturaleza del combustible. Para definir este proceso ideal se consideran los<br />tipos de combustión que pueden darse:<br />- COMBUSTION COMPLETA<br />Conduce a la oxidación total de todos los elementos que constituyen el combustible. En el caso<br />de hidrocarburos:<br />Carbono CO2<br />Hidrogeno H2O<br />Azufre SO2<br />Nitrógeno N2<br />Oxigeno Participará como oxidante<br />El Nitrógeno se considera como masa inerte, si bien a las altas temperaturas de los humos pueden<br />formarse óxidos de nitrógeno en pequeñas proporciones (del orden de 0,01%).<br />.- COMBUSTION INCOMPLETA<br />Los componentes del combustible no se oxidan totalmente por lo que aparecen los denominados<br />inquemados, los mas importantes son CO y H2; otros posibles inquemados son carbono, restos de<br />combustible, etc.<br />- COMBUSTION ESTEQUIOMETRICA<br />Es la Combustión Completa realizada con la cantidad estricta de oxígeno; es decir, el aire<br />empleado en la combustión es el mínimo necesario para contener la cantidad de oxígeno<br />correspondiente a la oxidación completa de todos los componentes del combustible.<br />La expresión de esta combustión es:<br />CxHy + n Aire (O2 + N2) x CO2 + (y/2) H2O + 0,79 nN2 + Calor (Q)<br />En este caso 0,21· n = x + (y/4), siendo el calor generado es el correspondiente a la combustión completa.<br />La combustión estequiométrica permite definir los parámetros característicos de los combustibles.<br />PODER COMBURIVORO<br />Es la cantidad de aire seco, medida en condiciones normales (Tª =0°C y P=1atm), mínima<br />necesaria para la combustión completa y estequiométrica de la unidad de combustible.<br />Unidades habituales: Nm3/kgCombustible, Nm3/Nm3Combustible.<br />Es un parámetro característico únicamente de la composición del combustible y puede tabularse<br />con facilidad.<br />- PODER FUMIGENO<br />Es la cantidad de productos de la combustión (Nm3) que se producen en la combustión<br />estequiométrica de la unidad de combustible.<br />En función de considerar o no el vapor de agua existente en los productos de la combustión, se<br />tienen Poderes Fumígenos Húmedo y Seco, respectivamente.<br />COEFICIENTE DE EXCESO DE AIRE<br />La mayor parte de las combustiones no transcurren en estas condiciones ideales (completa y<br />estequiométrica), el principal aspecto a considerar será la posibilidad de que la combustión<br />transcurra con exceso o defecto de aire, para caracterizar la proporción de oxigeno se define el<br />parámetro “coeficiente de exceso de aire”:<br />n = volumen aire por unidad de combustible / Poder Comburívoro<br />n = 1 : Combustión Estequiométrica<br />n < 1 : Defecto de aire, se dice que la mezcla es rica<br />n > 1 : Exceso de aire, se dice que la mezcla es pobre<br />Así la combustión puede ser clasificada en:<br />COMBUSTION CON DEFECTO DE AIRE<br />La cantidad de aire utilizada no contiene el oxígeno necesario para oxidar completamente a<br />los componentes del combustible.<br />CxHy + n2 (O2 + N2) CO2 + CO + H2 + H2O + 0,79 n2 N2 + Calor (Q1)<br />Además de los productos normales de la combustión, Dióxido de carbono (CO2) y Agua<br />(H2O), se producen inquemados como el Monóxido de Carbono (CO) e Hidrógeno (H2); en<br />algunos casos con mucho defecto de aire puede haber incluso carbono y combustible sin<br />quemar, en los humos.<br />El calor producido es inferior al de la combustión completa (Q1 Q).<br />COMBUSTION CON EXCESO DE AIRE<br />En este caso la cantidad de aire aportada es superior a la correspondiente a la combustión<br />estequiométrica; la combustión en estas condiciones puede ser completa o incompleta.<br />- COMPLETA<br />Su expresión es:<br />CxHy + n1 (O2 + N2) x CO2 + (y/2) H2O + 0,21 (n1 - n) O2 + 0,79 n1 N2 + Calor (Q)<br />0,21 n1 x + y/4<br />Al emplearse más aire que el estrictamente necesario, en los humos se da la presencia de<br />oxígeno.<br />El calor generado (Q) es el correspondiente a la combustión completa.<br />INCOMPLETA<br />La cantidad de aire utilizada es superior a la correspondiente a la combustión<br />estequiométrica, pero a pesar de ello, debido fundamentalmente a que no se ha logrado<br />una buena mezcla entre el combustible y el aire, los componentes del combustible no se<br />oxidan totalmente.<br />CxHy + n1 (O2 + N2) CO2 + CO + H2 + H2O + O2 + 0,79 n1 N2 + Calor (Q2)<br />Respecto a la combustión incompleta con defecto de aire, en los productos de la<br />combustión también se tiene oxígeno; en casos extremos en los humos puede haber<br />carbono y combustible sin quemar.<br />El calor producido es inferior al de la combustión completa (Q2 Q).<br />La combustión estequiométrica prácticamente es irrealizable, lo que obliga a operar con excesos<br />de aire con el fin de lograr combustiones completas.<br />El calor producido en la combustión completa es independiente del exceso de aire, pero el<br />aprovechamiento de este calor es tanto menor cuanto mayor es el exceso de aire con el que se trabaja,<br />ya que una parte del calor de la combustión se utiliza en calentar a los humos y éstos aumentan con el<br />exceso de aire; por todo ello, en la práctica se buscan combustiones completas con los menores<br />excesos de aire posibles; esto se consigue con una adecuada puesta a punto de los elementos que<br />intervienen en la combustión (líneas de combustible, quemadores, calderas y chimeneas) y un correcto<br />mantenimiento.<br />Para obtener una correcta combustión debe lograrse una buena mezcla del combustible con el aire;<br />en este sentido los combustibles gaseosos presentan mayor facilidad de mezcla que los líquidos y éstos<br />a su vez más que los sólidos; por este motivo pueden obtenerse menores excesos de aire con los<br />combustibles gaseosos.<br />RELACION AIRE/COMBUSTIBLE Y EL FACTOR DE EXCESOS DE AIRE.<br />Se define como aire teórico o aire mínimo a la cantidad exacta de aire necesaria para que, durante la combustión, se convierta todo el carbono en anhídrido carbónico y todo el hidrógeno en agua. La relación entre el peso de aire y el de combustible de esa mezcla recibe el nombre de relación aire/combustible.<br />COMBUSTIBLES:<br />ASPECTOS GENERALES:<br />Las calderas de vapor pueden consumir básicamente tres tipos de combustibles:<br />Combustibles fósiles (carbón, gas natural, petróleo o sus derivados).<br />Subproductos de procesos industriales (madera, bagazo, gas de alto horno, escape de motores o turbinas, desechos o basuras).<br />Isotopos radioactivos (reactores nucleares).<br />En los dos primeros tipos de combustibles las principales propiedades son la composición química o análisis último y el poder calorífico superior.<br />La combustión o análisis ultimo se expresa en termino de las fracciones de masa de cada uno de sus componentes elementales. Se define la siguiente nomenclatura: <br />C = fracción de carbono (lb/lb de combustible).<br />H = fracción de hidrogeno (lb/lb de combustible).<br />o = fracción de oxigeno (lb/lb de combustible).<br />n = fracción de nitrogeno (lb/lb de combustible).<br />s = fracción de azufre (lb/lb de combustible).<br />cen = fracción de ceniza (lb/lb de combustible).<br />En algunos casos se especifica por separado el contenido de humedad del combustible (la humedad superficial de los carbones). El oxigeno indicado en el análisis ultimo (o) normalmente esta combinación con otros elementos formando combustibles (co) o incombustibles ( Co2,H2o ).<br />El poder calorífico de un combustible ( Pcs) representa la cantidad neta de energía o calor que genera una unidad de masa cuando reacciona en combustión completa con oxigeno (aire) y los productos de combustión vuelven a enfriarse hasta las condiciones de temperatura y presión de aire y combustible suministrados . El poder calorífico superior se expresa en bto/lb de combustible.<br />En las calderas, el combustible no tiene posibilidades de generar toda la energía que implica el Pcs ya que los productos de combustión se expulsan a temperatura superiores a la temperatura ambiente por lo cual arrastran consigo cierta cantidad de energía sensible (temperatura) y cierta cantidad de energía latente (energía de condensación del vapor de agua); esto constituye las principales perdidas de la caldera.<br />Pci = Pcs – mahfg (patm)<br />En donde:<br />Ma = masa de agua que aparece en los humos por cada lb de combustible generado.<br />Hfg = entalpia de condensación del agua a presión atmosférica.<br />El poder calorífico superior se determina experimentalmente en ensayos de combustión completa a volumen constante (bomba calorimétrica) o a presión constante (calorimétrico de flujo). Los resultados de estos ensayos son muy similares para un mismo tipo de combustible.<br /> CARBON: Características importantes.<br />Además de las propiedades de composición y poder calorífico superior, en los carbones es conveniente conocer las siguientes características: <br />Tipo.<br />Análisis próximo o apropiado.<br />Fragilidad.<br />Temperatura de fusión de las cenizas.<br />TIPO: <br />En orden creciente de edad de formación, los carbones se clasifican en los tipos “liguita”, “bituminoso”, y antracita. Dentro de estos tipos hay rangos intermedios. Mientras mayor sea la edad del carbón mayor su dureza y poder calorífico y menor su contenido de humedad. Esto significa por ejemplo, que un carbón del tipo antracita tiene mayores costos de extracción y pulverización, pero, genera mayor cantidad de energía tiene menores costos de sacado, presenta<br />menos perdidas de energía sensible y latente (agua presente en los humos) y menores durante el transporte durante el transporte (estabilidad de tamaño). <br />ANALISIS PROXIMO: <br />En los carbones se determina un análisis físico de composición en términos siguientes:<br />% humedad: (ensayo de calentamiento a 150°F durante 24 hr).<br />Determina el peso de l agua inherente y superficial contenida en le carbón. Representa perdidas de energía por evaporación y sobrecalentamiento y peso muerto durante el transporte.<br />% cenizas: (ensayo de combustión completa de 12 a 24 hr).<br />Determina el peso de las sustancias solidas o residuos incombustibles del carbón. Significa perdidas por calentamiento y retención de sustancias combustibles además de peso muerto de transporte.<br />% volátiles: (ensayos de calentamiento 1700°F) durante 7 min). Determina el contenido de gases combustibles e incombustibles del carbón. Influye en el diseño de la forma y tamaño del hogar y de los mecanismos de combustión).<br />% carbón fijo: (determinación por diferencia o resto). Determina el peso efectivo de combustible solido contenido por el carbón.<br />FRAGILIDAD: <br />Es de interés conocer esta propiedad de los carbones ya que determina de una parte de las posibilidades de pérdidas de material durante el transporte y de otra parte, la estabilidad de tamaño influye de manera importante sobre la forma como debe quemarse cada tipo de carbón (tipo de parrilla, pulverización, etc.)<br />TEMPERATURA DE FUSION DE LAS CENIZAS: <br />Los residuos de combustión del carbón pueden formar escorias de comportamiento plásticos cuando la temperatura del hogar es superior a la temperatura del hogar es superar a la temperatura de fusión de las cenizas. Estas escorias plásticas se adhieren a los refractarios, pueden reaccionar con ellos deteriorándolos y dificulta su remoción de la caldera.<br />En ausencia de datos calorimétricos sobre el poder calorífico de un carbón, este se puede calcular en forma aproximadamente en base al análisis último de combustible mediante la ecuación de Dulong, esto es:<br />Pcs = (Btu/lb) = 14544.C + 62028. (h -O/8) + 4050. S<br />En donde C, h, O y S son las fracciones del análisis ultimo. Se observa que el termino O/8 se deduce del contenido de hidrogeno pues se considera que el oxigeno del combustible esta combinado con hidrogeno en forma de agua y por lo tanto la parte correspondiente de hidrogeno ya no participa en reacciones de combustión.<br />ACEITES COMBUSTIBLES: Características importante. <br />A parte de la composición y el poder calorífico de los aceites combustibles es conveniente conocer las siguientes propiedades:<br /> Tipo.<br />Gravedad especifica °API.<br />Temperatura criticas.<br />Sedimentos.<br />TIPO:<br />Los combustibles líquidos mas utilizados son el petróleo crudo y sus derivados de destilación o craqueo. Estos últimos se clasifican según patrones de gravedad especifica gravedad °API, poder calorífico y viscosidad, mediante los cuales se designan con números del 1 al 6.<br />El numero 1 corresponde al aceite mas liviano (mayor Pcs) y el numero 6 a los residuos mas densos y viscosos (menor Pcs).<br />GRAVEDAD ESPECÍFICA Y GRAVEDAD °API:<br /> La gravedad especifica de los aceites, lo mismo que la de cualquier liquido, es de cociente de la densidad del aceite y de la densidad del agua en las mismas condiciones de temperatura, para tener un nivel de referencia común se utiliza la gravedad especifica determinada sobre la base del agua a 60°F y aceite a 60°F (15,5) y esta gravedad especifica se denomina 60/60 (GE 60°F/60°F esto es: <br />Ge 60/60 = Paceite (60°F) / Pagua (60°F)<br />La gravedad °API, es una propiedad definida de manera tal que sus valores guarden una relación de proporcionalidad directa con el poder calorífico delante en cuestión. Por definición o convención, <br />°API = 141,5 - 131,5<br /> Ge 60/60<br />Definida asi la gravedad °API, es posible calcular aproximadamente el poder calorífico de los aceites mediante la siguiente ecuación empirica no se dispone de mediciones directas:<br />Pcs (Btu/lb) = 18250 +40 (°API-10)<br />TEMPERATURAS CRÍTICAS:<br />Desde el punto de vista de comportamiento de un aceite como combustible, es importante conocer tres temperaturas críticas: la temperatura de fluencia, la temperatura de incandescencia y la temperatura de encendido.<br />La temperatura de fluencia: es la misma temperatura a la cual un aceite desciende por gravedad en un plano inclinado patrón; es una medida de ser viscosidad y facilidad de bombeo. Conviene que esta temperatura sea lo mas baja posible.<br />La temperatura de incandescencia: (temperatura de saturación) es la temperatura en la cual se empiezan a formar vapores en la superficie del liquido. Denota la volatilidad del aceite y la máxima temperatura de manipulación o bombeo. Conviene que sea relativamente alta para los aceites pesados.<br />La temperatura de encendido: es la temperatura mínima a la cual se forma suficiente cantidad de vapores en la superficie del líquido de manera que puede mantener una llama estable. Denota volatilidad y facilidad de encendido. Denota volatilidad y facilidad de encendido. Conviene que sea relativamente baja pero por supuesto superior a la temperatura de incandescencia <br />SEDIMENTOS:<br />El contenido de sedimentos y agua de un aceite es factor importante en la determinación de la necesidad de filtrado y en consecuencia de la potencia de bombeo. <br />Los sedimentos y el agua pueden ocasionar problemas de obstrucción, corrosión y abrasión de las bombas y especialmente en los finos conductos de atomización de los quemadores. Asi mismo dan lugar a interrupciones de la llama (peligro de explosión) y formación de cenizas y hollines.<br />COMBUSTIBLES GASEOSOS: características importantes. <br />Los combustibles gaseosos son los que representan mejores condiciones de utilización (transporte, suministro, combustión completa y limpia). Los principales de estos combustibles son:<br />Composición.<br />Poder calorífico superior.<br />Gravedad especifica.<br />Composición: <br />Se hace referencia especial a la composición de los combustibles gaseosos ya que por ser mezclas de gases, conviene expresar su composición en términos de la proporción de cada uno de sus constituyentes individuales (Co, Co2, N2, etc.)Y estas proporciones normalmente se indican en porcentajes volumétricos.<br />Poder calorífico superior:<br />El Pcs de los gases se determina usualmente en calorímetros de flujo, con referencia al caudal volumétrico que circula por el calorímetro. Por esta razón, se expresa en términos de volumen (Btu/pie3N) normalizado a ciertas condiciones de presión (1 atm) y de temperatura (60°F).<br />Gravedad especifica:<br /> La gravedad específica de los gases se mide con referencia a la densidad del aire a 1 atm (760 mmhg) y 60°F. Esto es Ge = Pgas (1 atm, 60°F) / Paire (1 atm, 60°F).<br />Esta propiedad es importante para calibrar los instrumentos de medición de caudal consumido del gas.<br />A continuación se mencionan los principales tipos de combustibles gaseosos utilizados en calderas, junto con su origen y algunas propiedades.<br />Gas natural: este gas proviene de los depósitos subterráneos de formación análoga a la del petróleo y muchas veces en los mismos yacimientos de petróleo. Su composición consta principalmente de metano (CH4), etano (C2H6), nitrógeno (N2) y pequeñas cantidades de otros elementos.<br />Gases licuados de petróleo (GLP): son gases artificiales producidos en los procesos de destilación del petróleo. Normalmente son mezclas de propano, butano, isopropano e isobutano. Su costo es elevado comparado con el del gas natural. <br />Gas de coque.<br /> Gas de alto horno.<br />Gas de agua.<br />Gas de carbón.<br />Gas de desechos.<br /> <br />