Aspectos Generales de La Combustion

PGE - Generación de energía 3-7

3.2 Aspectos Generales de la Combustión

BibliografíaMoran, Shapiro, Fundamentos de Termodinámica TécnicaÁngel Luis Miranda Barreras, Ramón Oliver Pujol, La Combustión, Barcelona CEAC DL 1996 G. Monnot , La Combustion dans les fours et les chaudières , Paris Technip 1978 Roland Borghi, Michel Destriau, La Combustion et les flames, Paris Technip cop. 1995 Perthuis, Edmond, La Combustion industrielle, París Technip 1983 Manuel Márquez Martínez, Combustión y quemadores, Barcelona Marcombo Boixareu DL 1989 Keating Eugene, Applied Combustion, Marcel Dekker, Inc.

3.2.1 IntroducciónCombustión = reacción química exotérmica automantenida por transferencia de calor y difusión de especiesProceso térmico de gran interés práctico por:• utilización a escala mundial• fácil de realizar• difícil de estudiar por su complejidad:

química (características estructurales del combustible), termodinámica (viabilidad y energía de lasreacciones), transferencia de materia (difusión de combustible y oxidante), cinética de reacciones(velocidad de combustión) y dinámica de fluidos.

3.2.2 Aplicaciones• calefacción de viviendas (hogar, estufas, calderas)• producción de electricidad (centrales térmicas)• propulsión (motores alternativos, turbinas de gas y de vapor)• procesado de materiales (reducción de óxidos, fundición, cocción, secado)• eliminación de residuos (incineración de basuras)

http://www.epa.gov/ebtpages/airairpollutants.html









































• refrigeración (máquinas frigoríficas a absorción)• control de incendios (barreras cortafuegos, materiales ignífugos)• iluminación (hasta finales del s. XIX único método de iluminación artificial) 3.2.3 Importancia de los procesos de combustión• la mayor parte de la producción mundial de energía es por combustión de petróleo, carbón y gas natural

(desde 96% en 1975, 90% en 1985 y 80% en 1995)• combustión controlada de recursos primarios de interés en procesos de producción de trabajo y calor• combustión incontrolada (fuegos) para prevenirlos y luchar contra ellos• combustión controlada de materiales de desecho (incineración) con el fin de minimizar la contaminación

ambiental

3.2.4 El proceso de combustión3.2.4.1 CombustiónReacción de oxidación-reducción que tiene lugar entre un combustible y un comburente (oxidante) con granrapidez y liberación de una gran cantidad de calor.

REDUCTOR = Combustible (H2, CO, C, CnHm,…)OXIDANTE = Comburente (O2 (puro o diluido en N2),O3 , Cl,….)

En algunas sustancias (explosivos) la función oxidante y reductora se encuentran en la misma molécula(nitroglicerina, nitrocelulosa, acetileno..)

3.2.4.2 CombustiblesSustancia susceptible de ser quemada. Combustibles pueden existir en estado sólido, líquido o gaseoso. Para simplificar los cálculos se puede considerar:gasolina: octano C8H18gasóleo: dodecano C12H26gas natural: metano CH4carbón: obtenemos la composición a partir del análisis elemental = cantidades relativas de C, S, H2, N2, O2 yceniza

3.2.4.3 Aire de combustiónOxigeno necesario en cada reacción de combustión. Oxigeno puro solamente en aplicaciones especiales: corte,soldadura, etc. . En la mayoría de los casos oxigeno suministrado por el aire. Simplificando se considera la composición del aire como aproximadamente: 21% de O2 y 79% de N2. Así cadamol de oxigeno esta acompañado de 3,76 moles de nitrógeno. El aire considerado aquí no contiene agua. En caso contrario la combustión es húmeda y hay que incluir el vapor de agua presente, cuando se escribe laecuación de combustión. Asumimos además que el N2 no reacciona (inerte). Sin embargo a altas temperaturas se forman compuestoscomo el óxido nítrico y el dióxido de nitrógeno (fuentes de contaminación).

3.2.4.4 Parámetros importantesCuantificación de cantidades de combustible y aire: • Relación aire-combustible = cociente entre la cantidad de aire en una reacción y la cantidad de combustible, en base molar o másicaconversiónm aire/m comb = (n aire * M aire) / (n comb * M comb)


masa molecular del aire 28.97• Relación combustible-aire

3.2.4.5 Combustión CompletaTodos los productos resultantes de la reacción están en el máximo grado posible de oxidación (CO2, H2O,SO2,…)

Combustible + Comburente → ProductosC + O2 → CO2 + 32.8 MJ/kgH2 + ½ O2 → H2O + 142 MJ/kgS + O2 → SO2 + 166 MJ/kg

La cantidad de oxígeno teóricamente necesaria para que estas reacciones se lleven a cabo se denomina oxígenoteórico o estequiométrico. La combustión llevada a cabo en estas condiciones se denomina estequiométrica oteórica.

3.2.4.6 Combustión incompletaEn la realidad si solo se suministra el oxígeno teórico la reacción no se lleva a cabo completamente o con larapidez suficiente, dando origen a reacciones incompletas, como por ejemplo

C + ½ O2 → CO + 9.3 MJ/kg

En este caso parte de la energía calorífica de la combustión no se libera y permanece en el monóxido decarbono (CO). Se entiende como combustión incompleta aquella en que algún componente del combustible noha llegado al grado máximo de oxidación. En la combustión incompleta no se obtiene la máxima energíadisponible en el combustible. Los productos que no se han oxidado totalmente se denominan inquemados: C,CO, hidrocarburos no oxidados CH, .. etc Resulta por lo tanto necesario proporcionar un exceso de aire al combustible para aumentar la posibilidad deque reaccione con el oxigeno rápida y totalmente en combustión completa antes de que pase a una zona más fríadonde la combustión no tendría lugar.

3.2.4.7 Oxígeno y aire teóricos y en excesoLos siguientes términos se utilizan comúnmente para describir las proporciones de combustible y aire que sealimentan a un sistema de combustión:

• Oxígeno teórico: son los moles (en una combustión discontinua) o la velocidad de flujo molar (en unacombustión continua) de oxígeno que se necesitan para efectuar la combustión completa de 1 mol decombustible en el reactor suponiendo que todo el carbono del combustible se oxida para formar CO2 ytodo el hidrógeno para formar agua.

p.ej. CH4 + 2 O2 CO2 + 2 H2O2 moles de O2 por mol de metano, o bien 2 m3N de O2 por m3N de metano

• Aire teórico: Es la cantidad de aire que contiene el oxígeno teórico.

Por cada mol de oxigeno se requieren 1+x moles de aire Aire atmosférico: x= 3.78 para 20.9% O2 y 79.1 % de N2 En el caso del metano el aire teórico es = 2 x 4.78 Nm3aire/ Nm3 metano


En el caso en que x < 3.78 se dice que el aire está enriquecido en O2. Así si el aire está enriquecido al y % (molar). Los moles de O2 suplementario resultan ser

100)100()9.20(,2 y

yO SUP −−

= Nm3 O2/ Nm3 de aire

En la practica el uso de aire oxigenado se limita a y < 30% (llamas oxigenadas), y su interés reside en laelevación de la temperatura de combustión y disminución de humos

• Exceso de Aire : Es la cantidad en exceso del aire que alimenta el reactor con respecto al aire teórico. Elporcentaje de aire (atmosférico) en exceso se define como :

e = %100•) (

) () (

teórico

teóricoónalimentaci

airedemolesairedemolesairedemoles −

Si el número de los moles de aire de alimentación es menor que el de moles de aire teóricos utilizamos:

• Defecto de Aire : d = %100•) (

) () (

teórico

ónalimentaciteórico

airedemolesairedemolesairedemoles −

También se suele utilizar el término tasa de aireación, porcentaje de aire estequimétrico o riqueza de aire ndefinido como

n = aire alimentación / aire teórico

n= 1 mezcla combustible-aire estequiométrican >1 mezcla rica en aire o pobre en combustible, e = (n-1) 100n< 1 mezcla pobre en aire o rica en combustible, d = (1-n) 100

En la práctica, hornos y calderas trabajan con un exceso de aire comprendido entre el 10 y el 40 %.

Si se conoce la velocidad de alimentación del combustible y la ecuación estequiométrica de su combustióncompleta, se puede calcular el oxígeno teórico y la velocidad de alimentación del aire teórico. Si además seconoce la velocidad de alimentación de aire real, se puede calcular el porcentaje de aire en exceso a partir de laecuación anterior.

3.2.4.8 Productos de combustiónSi la combustión es completa, los productos que se producen son CO2, H2O, N2 y SO2 con oxígeno presentecuando haya exceso de aire. Sin embargo, la combustión es el resultado de una serie de reacciones químicasmuy complicadas y rápidas, y los productos que se forman dependen de muchos factores tales como la presióny temperatura del sistema y obviamente de la proporción de aire y combustible. Aunque la cantidad de airesuministrada en un proceso de combustión suele ser mayor que la estequiométrica, no es infrecuente laaparición entre los productos de algo de monóxido de carbono. Cuando la cantidad de aire suministrado esinferior a la estequiométrica los productos incluyen monóxido de carbono y combustible no quemado. Además,en el caso de combustibles sólidos siempre queda algo en forma de cenizas.Puesto que en la mayor parte de los procesos de combustión se forma agua, la fracción molar de vapor de aguaen los productos de la combustión puede ser importante. Si los productos gaseosos de la combustión se enfrían,el vapor de agua empieza a condensar cuando se alcanza la temperatura de rocío, pudiendo producir lacorrosión de las zonas metálicas en contacto con los gases al depositarse el agua sobre ellos. La composición delos gases de combustión puede darse en base húmeda, que incluye el vapor de agua, y en base seca con la quese denota la composición de los gases resultantes una vez que el agua se ha condensado.

La composición de los productos de una combustión real solamente se puede determinar experimentalmente,p.ej. mediante:


• analizador Orsat • cromatógrafo de gases• analizador infrarrojos• detector de ionización de llama

En la combustión de hidrocarburos se forma agua. Si los productos gaseosos de la combustión se enfrían (ap=const), el vapor de agua empieza a condensar, si se alcanza la temperatura de rocío. (=> problemas decorrosión)

3.2.5 Conservación de la energía en sistemas reactivos3.2.5.1 Entalpía de formaciónCuando ocurre una reacción química, los reactivos desaparecen y se forman nuevos productos. => Hay queestablecer una referencia para la entalpía asignando un valor de cero a la entalpía de los elementos estables enun estado de referencia estándar. Estado de referencia estándar: Tref = 298.15k (25ºC), pref = 1 atm Elementos estables: H2, O2, N2 y no monoatómicos H, O, N=> podemos asignar valores de entalpía a los compuestos. entalpía de un compuesto en el estado estándar: entalpía de formación hfº= entalpía liberada o absorbida cuando el compuesto se forma a partir de sus elementos, estando tanto elcompuesto como los elementos a Tref y pref.

Moran, Tabla A24: valores de entalpía de formación

Signo de la entalpía de formación- exotérmico (disipación de calor del reactor)+ endotérmico (aporte de calor)

Entalpía especifica de un compuesto h (T,p) = hfº + [h(T,p) - h(Tref, pref)] = hfº + ∆h

hfº asociada a formación∆h asociada al cambio de estado a composición constante, se puede obtener p.ej. a partir de datos tabulados.

Entalpía de formación del aguavalores para líquido y para vapor a 25ºC y 1 atm.valor del vapor para un estado hipotético en el cual el agua es un vapor a 25ºC siguiendo el modelo de los gasesideales. hfº (g) - hfº (l) ≈ hfg = entalpía de vaporización a Tref

3.2.5.2 Balances de energía para sistemas reactivosConsideraciones: producción de trabajo, transferencia de calor, estado del combustible (s, l, g), combustible yaire premezclado o separado, estado de los productos de combustión (mezcla de gases o condensación de agua)

Caso considerado: combustión completa de un hidrocarburo CaHb en un reactor estacionario con aireestequiométrico. Combustible y aire entran por separado al reactor.

Reacción: CaHb + (a+b/4) (O2 + 3.76 N2) -> a CO2 + b/2 H2O + (a+b/4) 3.76 N2


Balance de energía por mol de combustible nC

Q/nC - W/nC = [a hCO2 + b/2 hH2O + (a+b/4) 3.76 hN2] - hC - [(a+b/4) hO2 + (a+b/4) 3.76 hN2]

Subrayado simple: entalpía de los productos gaseosos de combustión por mol de combustibleSubrayado doble: entalpía del aire de combustión por mol de combustiblehC: entalpía molar del combustible

Q/nC - W/nC = hP - hR = entalpías de productos - reactivos por mol de combustible

Evaluación de términos individualesSuposición: cada componente de los productos de combustión se comporta como un gas ideal: la contribución ala entalpía de los productos depende solamente de la temperatura de los productos TP.

h = hfº + [h(TP) - h(Tref)]

subrayado: cambio de la entalpía desde la temperatura Tref a TP.

Obtenemos como balance de energíaQ/nC - W/nC = ΣP ns (hfº + ∆h)s - ΣR ne (hfº + ∆h)Se

e corrientes entrantes, s productos salientesne, ns: coeficientes de la ecuación de reacción => moles de reactivos y productos por mol de combustible

Sistema cerradoUP - UR = Q-W

UP , UR :energía interna de reactivos, productosQ - W = ΣP n u - ΣR n u

n: coeficientes de la ecuación de reacción

suposición gases idealesu = h - RT

u = h - RT = hfº +∆h -RT

3.2.5.3 Entalpía de combustión y poder calorífico No siempre conocemos la entalpía de formación, por ejemplo en el caso de combustibles petrolíferos o carbón:compuestos de una variedad de sustancias químicas. => experimentalmente obtenemos la entalpía de combustión= diferencia entra la entalpía de productos y la de los reactivos para una combustión completa a temperatura ypresión dadas.

hcomb = ΣP ns hs - ΣR ne he

n: coeficientes de la reacción de combustión => moles de productos y reactivos por mol de combustibleValores tabulados en general referidos a temperatura estándar Tref y presión estándar pref : hºcomb

hºcomb = ΣP ns (hfº)s - ΣR ne (hfº)e

Si disponemos de datos de entalpías de formación de todos los reactivos y productos, podemos calculardirectamente hcomb. Experimentalmente se obtiene en calorímetros. Existen dispositivos de volumen constante (bombascalorímetros) o de flujo (p=cst).


Ej.: Un reactor funciona en estado estacionario. El combustible se quema completamente con aire. Para enfriarlos productos a la temperatura de los reactantes hay que disipar calor:

Q/nC = ΣP ns hs - ΣR ne he

=> hcom = Q/nC

De acuerdo con el convenio de signos habitual para el calor, hcom será negativo.

Ecuación general para una reacción completa:Q/nC - W/nC = hºcomb + ΣP ns (∆h)s - ΣR ne (∆h)e

Poder caloríficoEl poder calorífico de un combustible es el valor negativo del calor estándar de combustión (-hcom o ∆Hc),generalmente expresado por unidad de masa de sustancia.El poder calorífico superior PCS es el valor correspondiente del poder calorífico -∆Hc con agua líquida comoproducto de combustión. El poder calorífico inferior PCI es el correspondiente al caso en que el agua está enfase de vapor. Para calcular el poder calorífico inferior a partir del superior se deben calcular los moles de agua que seproducen cuando se quema una unidad de masa de combustible. Si esta cantidad es n moles de agua, entonces:

PCS= PCI + n ∆Hv

donde ∆Hv es el calor de vaporización del agua a 25ºC que vale 44.01 kJ/mol o 2.44 MJ/kg

3.2.6 Temperatura de llama adiabáticaCuando se quema un combustible, se desprende una cantidad considerable de energía. Parte de esa energía setransfiere como calor a través de las paredes del reactor, y el resto eleva la temperatura de los productos dereacción. Cuanto menos calor se transfiera, mayor es la temperatura de los productos. Si el reactor esadiabático, se puede alcanzar el mayor valor de temperatura posible. Esta temperatura se conoce comotemperatura de llama adiabática o temperatura de llama teórica.El cálculo de la temperatura de llama adiabática sigue el procedimiento general de los balances de energía yobviamente depende de la proporción combustible-aire en la mezcla.

hP = hR

ΣP ns (hºf + ∆h)s = ΣR ne (hºf + ∆h)e

oΣP ns (∆h)s = ΣR ne (hºf + ∆h)e - ΣP ns (hºf)s

Los términos del lado derecho se pueden calcular directamente. Los términos de (∆h)s dependen de latemperatura adiabática de combustión. => iteración

En realidad no alcanzamos esta temperatura por las siguientes razones:• combustión incompleta• el exceso de aire diluye los productos• perdidas de calor• disociación de productos a altas temperaturas (reacciones de disociación endotérmicas)


Influencia de la riceza sobre la composición de equilibrio a la temperatura final de la combustión adiabática avolumen dada de la mezcla propano-aire.

3.2.7 Equilibrio químico3.2.7.1 Criterios de equilibriosin reacción químicaEquilibrio termodinámico: no se experimentan cambios macroscópicos observables

Función de Gibbs: G = H - T S

Estado de equilibrio: mínimo de la función de GibbsdG]T,p = 0

Una vez alcanzado el equilibrio, un sistema existe en unos valores particulares de T y p, y no tienen lugarcambios posteriores.

3.2.7.2 Función de Gibbs y potencial químicoSistema multicomponente monofásico:

G = G(T, p, n1, n2, …nj)

Potencial químico de la componente i:µi = (∂G/ ∂ni)T,p,nl

subíndice nl: todos los n excepto ni se mantienen fijosG = i=1Σj ni µi


Criterio de equilibriodG]T,p = i=1Σj µi dni = 0

3.2.7.3 Calculo de potenciales químicosG = i=1Σj ni gi (T,pi)

µi = gi (T,pi)gi= función de Gibbs por mol

Mezcla de gases idealesµi = hi (T) - T si (T,pi) = hi (T) - T [(siº(T) - R ln (yi p)/pref)] = giº + R T ln (yi p)/pref)

º : T, p= 1 atmgiº: función de Gibbs molar del componente i, evaluada a T y p= 1 atm

3.2.7.4 Ecuación del equilibrio químicoEstudio de mezclas reactivas => establecer composición del equilibrio para T y p dadas. No se determinaranaquí las velocidades de reacción (cinética química)

νa A + νB B = νC C + νD D

en el equilibriodG]T,p = -νa µA - νB µB + νC µC + νD µD = 0

νa µA + νB µB = νC µC + νD µD

3.2.7.5 Calculo de la composición de equilibrioconstante de equilibrio K

K (T) = ycνc yD

νD / yAνA yB

νB (p/pref)νC + νD - νA - νB

- ∆Gº (T) /RT = ln K(T)

Dados los coeficientes estequiométricos y T se puede calcular el lado izquierdo y podemos determinar K (T)Los valores de K están habitualmente tabulados en la forma:

log10K - T (p.ej. tabla A-25, Moran)

para la reacción adversa: νC C + νD D = νa A + νB Blog 10 K* = - log 10 K

3.2.7.6 Composición de equilibrio para mezclas de gases idealesFrecuentemente es conveniente de expresar K mediante el número de moles presentes en equilibrio. El numerototal de moles n también incluye todos los componentes inertes

K (T) = ncνc nD

νD / nAνA nB

νB (p/pref/n)νC + νD - νA - νB

=> relación entre T, p y composición. Si conocemos dos de estas magnitudes, podemos determinar la tercera


3.2.7.7 Temperatura de equilibrio de la llamaEn la combustión completa llegamos a la temperatura máxima de la llama. La podemos determinar directamentea partir del balance de la energía.

CO + 0.5 O2 + 1.88 N2 -> CO2 + 1.88 N2

Pero a una temperatura tan elevada habrá disociación

CO2 -> CO + 0.5 O2

Puesto que la disociación exige un aporte de energía (reacción endotérmica), la temperatura de los productosserá menor. Los productos serán una mezcla de CO2, CO, O2 y N2

=> ecuación ajustada

CO + 0.5 O2 + 1.88 N2 -> z CO + (1-z)CO2 + z/2 O2 + 1.88 N2

=> dos incógnitas: z, T (= temperatura de equilibrio de la llama)

3.2.7.8 Reacciones simultáneasHay que evaluar las constantes de equilibrio para cada reacción.

3.2.8 Ignición y temperatura de igniciónSupongamos que se calienta una mezcla de metano y aire que contiene 10% en mol de CH4,, por medio de unafuente de calor central (p. ej., una resistencia eléctrica) a presión atmosférica, empezando a temperaturaambiente. Aunque el metano reacciona con el oxígeno según la reacción

CH4 + 2 O2 -> CO2 + 2 H2O

Esta se efectúa a una velocidad tan baja a temperatura ambiente que no se puede medir, y a un observador leparecería que nada ocurre en el reactor.A medida que aumenta la temperatura, la velocidad de la reacción de oxidación también aumenta, y aparecencantidades medibles de CO2 y H2O. Sin embargo, si se apaga la fuente de calor, la temperatura del reactordisminuye otra vez; el valor de la velocidad a la que la reacción genera calor no es suficiente para compensar lavelocidad a la que se pierde calor de la zona de la reacción.Pero si en algún punto del reactor la temperatura alcanza los 640ºC o más, la velocidad de generación de calorpor la reacción excede el valor de la velocidad de pérdida de calor de la zona de reacción. El gas adyacente aesta zona se calienta por encima de los 640ºC, ocasionando un aumento de temperatura en la región dondeocurre la reacción rápida. La temperatura del gas aumenta rápidamente en varios cientos de grados, o hastavarios miles de grados en una fracción de segundo. Aunque se apague la fuente de calor, la velocidad degeneración por la reacción ahora rápida es suficiente para mantener al sistema a alta temperatura hasta que seconsuman los reactivos.La combustión se define como una reacción de oxidación rápida de alta temperatura. Lo que sucede en elreactor que hemos descrito, después de que la velocidad de la reacción aumenta dramáticamente, es lacombustión, mientras que la reacción de oxidación lenta, al inicio entre el metano y el oxígeno, para formarCO2 y H2O, y algunas otras reacciones entre estas sustancias, como la reacción de formación de formaldehídono son reacciones de combustión.

CH4 + O2 -> HCHO + H2O

El fenómeno en el que la velocidad de una reacción de oxidación aumenta abruptamente cuando la temperaturade la mezcla de reacción es mayor de cierto valor, se llama ignición; la temperatura a la que ocurre es latemperatura de ignición, y el tiempo entre el instante en que la mezcla alcanza la temperatura de ignición y el


momento de la ignición se conoce como retardo de ignición. La temperatura y el retardo de ignición semuestran en la figura.El valor de la temperatura de ignición depende de varios aspectos para un determinado combustible, entre ellosestán el cociente combustible-aire, la presión total en el reactor y la geometría del reactor. Para cualquiercombustible dado, existe un límite inferior a esta cantidad llamada temperatura de ignición espontánea. Losvalores representativos de esta cantidad para mezclas estequiométricas combustible-aire a 1 atm son 571ºC paraH2, 633ºC para CH4 y 473ºC para C2H6.Los retardos de ignición, son típicamente, de 0,1 a 10 s de duración y disminuyen cuando la temperatura esmayor que la temperatura de ignición espontánea.

Temperatura de una mezcla combustible que se calienta.

3.2.8.1 Inflamabilidad y límites de inflamabilidadComo se ha visto la temperatura máxima alcanzable en una reacción de combustión - la temperatura de llamaadiabática - depende de la relación combustible/aire. Obviamente esta temperatura es máxima cuando elcombustible y el oxígeno están presentes en proporciones estequiométricas. Si la mezcla es rica (combustible enexceso o pobre en oxígeno) o pobre (oxígeno en exceso o pobre en combustible) la temperatura de llamaadiabática disminuye.Existen dos valores característicos del porcentaje en moles en una mezcla de reacción: el límite pobre o inferiorde inflamabilidad y el límite rico o superior de inflamabilidad en los que la temperatura de llama adiabática esigual a la temperatura de ignición de la mezcla. Una mezcla combustible-aire cuya composición no se encuentradentro de estos límites es incapaz de prenderse o explotar aunque esté expuesta a una chispa o a una llama. Elintervalo de composición entre los dos límites de inflamabilidad se conoce como intervalo explosivo de lamezcla. La mayoría de la muestras son inflamables cuando la proporción combustible a aire queda dentro del 50al 300% de la proporción estequiométrica.Por ejemplo, el porcentaje estequiométrico del metano en una mezcla metano-aire es de 9,5% en moles.Experimentalmente se encuentra que el límite inferior de las mezclas metano-aire a 1 atm es aproximadamentede 5% de metano, y el límite superior de inflamabilidad es de alrededor de 15% de metano. Por tanto, unamezcla metano-aire que contiene entre 5% y 15 % de metano puede considerarse un peligro de incendio oexplosión, mientras que una mezcla que contiene un 3% de metano puede considerarse segura, y una quecontiene 18% de metano puede considerarse también segura mientras no se ponga en contacto con oxígenoadicional.


3.2.8.2 Punto de inflamaciónSi se expone un líquido al aire (o un sólido volátil), el vapor que se produce puede formar una mezclacombustible con el aire adyacente a él, y una chispa o una llama en la vecindad del líquido puede causar que lamezcla se prenda o explote.El punto de inflamación de un líquido es la temperatura a la que el líquido produce suficiente vapor para formaruna mezcla que se prende con el aire por encima de la superficie del líquido. El punto de inflamación de lagasolina, por ejemplo, es aproximadamente de -42ºC, y la del etanol es 13ºC, de manera que estos líquidospueden provocar incendios a temperatura ambiente. En cambio, el punto de inflamación del gasóleo es de 55ºClo que reduce el peligro asociado con estas sustancias.La medida del punto de inflamación de líquidos puros es directa y precisa. Sin embargo, el valor medido puededepender del método usado, especialmente cuando se trata de mezclas líquidas, ya que la composición del vaporpuede depender de la velocidad de calentamiento.

3.2.9 Intercambiabilidad de los gases combustiblesDos gases serán intercambiables cuando, para un quemador determinado, con las mismas condiciones desuministro, presión y temperatura, mantienen las mismas características de combustión.

3.2.9.1 Indice de WobbePara determinar la intercambiabilidad de los gases, se establecerán unas relaciones entre el gasto calorífico y elpotencial de combustión. Para pasar una cantidad constante de energía por un orificio de un quemador,combustibles gaseosos con presiones de operación y perdidas de carga similares tienen que tener un Indice deWobbe (W) similar.

W= PCS [kcal/m3] / (densidad del gas referida al aire)0,5

densidad del gas referida al aire = densidad combustible / densidad aireValores del índice de Wobbe para los gases combustibles más habituales

Gas combustible Indice de Wobbe [kcal/m3]gas natural 13400butano comercial 21900propano comercial 19800


3.2.9.2 Potencial de combustiónEl potencial de combustión C es un índice empírico, relacionado con la velocidad de combustión del gas.Depende de parametros empíricos, la composición del gas y de la densidad del gas referida al aire.

3.2.9.3 Diagrama de intercambiabilidadUn gas combustible arde de forma insatisfactoria en un quemador cuando:• se produce desprendimiento de llama: ocurre cuando el gas sale a más velocidad que la velocidad de

propagación de la combustión• se produce retorno de llama: es el fenómeno contrario al anterior• se desprende CO en una cantidad superior al 0.1%: Si la cantidad de CO es inferior al 0.1%, puede

considerarse una combustión completa

W

C

Combustión no completa

Desprendimiento de llama

Retorno de llama

Funcionamientosatisfactorio

3.2.10 Diagramas de la combustión - Diagrama de OstwaldEste diagrama se utiliza para el caso de combustiones incompletas con inquemados sólo en forma de CO. Eje horizontal: Fracción molar de O2 en los humos secosEje vertical: Fracción molar de CO2 en los humos secos

Frac

ción

mol

ar d

e C

O2 e

n lo

s hun

os se

cos

Fracción molar de O 2 en los hunos secos

Líneas de CO const.

Líneas de exceso const.

0.21

n=1

Combustión completa sin formación de CO

El diagrama se construye para un combustible determinado.


P1: % de CO2 max ; combustión completa estequiométrica con 0% de O2 en los gasesP2: CO2 =0, todo el C del combustible ha pasado al CO, corresponde a aire estequiométrico (n=1). Queda partedel O2. P3: CO2 = 0%, CO = 0%, O2 = 21%, corresponde al aire puro

P1P3: combustión completa sin formación de COP1P2: combustión estequiométrica incompleta, en humos CO2 y COP2P3: combustión incompleta, en humos CO, pero no CO2

Triángulo P1OP2: combustiones con defecto de aire

Líneas paralelas a P1P3: % CO const.Líneas paralelas a P1P2: % exceso de aire const.

Si conocemos dos valores de la composición de los humos (CO2, CO, O2) se puede determinar el tercero y elexceso de aire.

Ejemplo: CO2=12.4%, O2= 2.9%En el punto de corte encontramos: CO = 2%, n= 1.1


3.2.11 Quemadores3.2.11.1 Quemadores a gasEl aire se suministra de manera controlada. Mezclado fuerte de gas y aire en el quemador, para prolongar eltiempo de residencia y aumentar la turbulencia.En la figura: aire inyectado por dos series de agujeros, cada uno provoca rotación en un sentido diferente.

3.2.11.2 Quemador de fuelóleo El fuelóleo esta inyectado en forma de gotas. La mezcla no es tan eficaz como en un quemador a gas. Paracombustibles viscosos es necesario su precalentamiento para que lleguen al quemador en buenas condiciones,con presiones no demasiado altas. El aire llega por un canal anular periférico y se pone en rotación (swirl).

Al quemador le llega el fuelóleo a la viscosidad requerida donde se pulveriza a un tamaño de gota promedio de100 µm. La energía requerida para la atomización, en vencer la tensión superficial, es aportada • por un fluido auxiliar (vapor, aire, fuelgas) o bien • mecánicamente.

La atomización crea una amplia superficie que favorece la reacción de oxidación en un espacio relativamentecorto, próximo a la zona de alta temperatura.


Viscosidades limites para la atomización del fuelóleo 75 cst : Quemadores con atomización con vapor, aire o fuel-gas a presiones superiores a 1 bar. 35 ~ 40 cst : Quemadores con atomización mecánica o con aire a media presión (0,2 ~ 1 bar). 20 cst : Quemadores con atomización con aire a baja presión ( 0,1 bar) 10 cst : Quemador con atomización mecánica de pequeña potencia ( 0,1 Tm/hr) utilizados en instalaciones decalefacción central. Estos limites son una aproximación, ya que existen otros parámetros a tener en cuenta que pueden modificarlos.

3.2.12 Impacto Ambiental de la CombustiónFuente: Conceptos generales sobre la combustión; Koch International, Kl. S.A., Marzo 1995

Bibliografía:Wood, S.C., Select the right NOx control technology, Chemical Engineering Progress, 32ff, jan. 1994Garg A., Specify better Low-NOx burners for furnaces, , Chemical Engineering Progress, 46ff, jan. 1994

Links: US Environmental Protection Agency EPAAir pollutants: http://www.epa.gov/ebtpages/airairpollutants.htmlClean Air Technology Center: http://www.epa.gov/ttn/catc/Software Tools: http://www.epa.gov/ttn/catc/rblc/htm/toolbox.html

AntecedentesAparición de regulaciones y normas a nivel estatal para el control de emisiones.Preocupación por el medio ambiente.Entidades de Protección Ambiental vigilan el mantenimiento de los niveles máximos autorizados.

3.2.12.1 Contaminantes3.2.12.1.1 OzonoGas incoloro de olor penetrante, altamente reactivo.Beneficioso en la estratosfera: protege de UVNocivo en la troposfera (suelo). Generado en las ciudades y centros energéticos. Precursores NOx y VOC

3.2.12.1.2 Monóxido de carbonoGas incoloro e inodoro producido por combustión incompleta de combustibles con carbono en su composición

3.2.12.1.3 SOx

SO2: Gas incoloro de olor irritante. Producido por combustión del azufreEn presencia de O2 o Vanadio forma SO3. Causante de la lluvia ácida.

3.2.12.1.3.1 Técnicas para reducción de emisiones de SOx

Reducción de S en combustiblesDesulfuración de humos


http://www.epa.gov/ttn/catc/

http://www.epa.gov/ttn/catc/rblc/htm/toolbox.html


3.2.12.1.4 Partículas totales en suspensión (TSP)El más complejo de los contaminantes.Composición variada. Nocivas por debajo de 3 micras (0.003mm).

3.2.12.1.4.1 Técnicas para reducción de emisiones de TSPVenturiScrubberDecoquizado de aire/vaporScrubber alcalino para control SOx con sección de venturi para control de sólidos y efluente al hogar decombustión para control de CO y orgánicos.

3.2.12.1.5 NOx Gas de color marrón rojizo. Cuando el nivel en los gases de chimenea supera los 20 ppm de NO2, adquiere uncolor anaranjado. NOx es una mezcla de NO (97%), NO2 (2%) y N2O (1%). Contribuyen a la lluvia ácida. Contribuyen a la formación de Ozono (NO2). Contribuyen a la destrucción de la capa de Ozono (N2O, 100 a 200 años de vida).

3.2.12.1.5.1 Producción de NOx en procesos de combustiónDurante la combustión se produce NO y NO2.El NO prevalece a alta temperatura (dentro del horno)NO2 + O2 => NO + O2

A la salida al exterior se oxida a NO2.

La formación de óxidos de Nitrógeno se produce de tres formas principales: • NOx térmico: oxidación térmica del nitrógeno presente en el aire. Aumenta con la temperatura de la

zona de combustión. Zona de alta T: NO, zona de baja T: NO => NO2

• NOx de combustible (molecular): por reacción del nitrógeno incorporado en los combustibles.Significativo en combustibles líquidos o gases residuales.

• NOx puntual o inducido: por reacción de radicales hidrocarbonados en las primeras etapas de la llama.

No se forma en la combustión de Hidrógeno y CO. Su contenido se reduce cuando la zona de combustión primaria es pobre en combustible.

Las variables que influyen en la producción de óxidos de nitrógeno son, entre otras: • Composición del combustible. A mayor contenido de N, mayor NOx. A mayor contenido en H2, mayor NOx (aumento T llama). A mayor contenido en inertes, menor NOx (menor T llama). • A mayor temperatura del aire, mayor T llama y mayor NOx. • A menor exceso de aire menor nivel de NOx. A excesos entre 50 y 70%, menor NOx por disminución

de temperatura. El punto óptimo 10-15% para tiro natural y 5 a 10% para tiro forzado. • A más alta temperatura de los gases de combustión, mayor producción de NOx.


3.2.12.1.5.2 Técnicas para reducción de emisiones de NOxSCR (Reducción catalítica selectiva) y modificacionesEliminación térmica de NOx, quemadores bajo NOx y modificación combustiónEliminación térmica de NOx y modificación combustiónQuemadores bajo NOx

Modificación combustión:• por etapas• recirculación de humos• bajo exceso de aire• inyección vapor o agua

3.2.12.1.5.2.1 Evitar su formación

a. uso fuel líquido con %N < 0.002% (caro; normal 0.015-0.05%)b. combustión de gas natural

3.2.12.1.5.2.2 Reducción del NOx ya formado3.2.12.1.5.2.2.1 Reducción selectiva no catalítica SNR

inyección amoniaco en zona radiante: NH3 + NOx => N2 + H2O (Reducción hasta 90%)

Desventajas: No con S: Bisulfato amoniaco (NH4)HSO4 => Corrosión)Requiere alta temperatura radiante

3.2.12.1.5.2.2.2 Reducción selectiva catalítica SCR

• inyección NH3 a más baja T• utilización de lecho catalítico para promover la reducción NOx (reducción > 90%)

Desventajas: Instalación costosaEnsuciamiento lechoCorrosión

3.2.12.1.5.2.3 Reducción del NOx durante la combustión

a. Recirculación de gases de combustiónb. combustión por etapas• combustión por etapas de aire• combustión por etapas de fuelc. combinación de a. y b. d. Recirculación inducida por el fuel (INFURNOX)e. Inyección de vapor adicional & otras técnicas

3.2.12.1.5.2.3.1 Combustión por etapas de aire

El combustible se quema inicialmente en defecto de aire: generación de agentes reductores CO y H2. CO, H2 + NOx => N2 + CO2 + H2

Reducción T llama => menos NOx.

La reacción se completa posteriormente con un aire secundario. Destrucción de partículas de carbono formados.


3.2.12.1.5.2.3.2 Combustión por etapas de fuel

Todo el aire de combustión se mezcla en la 1ª zona de combustión con una parte del combustible. Condicionesalto exceso de aire, baja T llama => menos NOx térmico

Al final de la 1ª zona de combustión se añade el resto del combustible. => zona con alta concentración deproductos de combustión => menos concentración de O2 & efecto diluyente: T llama menor, menos NOx.

3.2.12.1.5.2.3.3 Recirculación exterior de gases

Mezcla de gases de combustión con el aire de combustión total que entra al quemador:Efecto diluyente, menos O2, T llama menor, menos NOx.

Desventajas: Aplicación solo a sistemas de tiro forzadoInstalación exterior al horno. MantenimientoRegulación Rango limitado de recirculación (15 a 30%)Inestabilidades de llama por cantidad elevada de humos recirculantes.

3.2.12.1.5.2.3.4 Inyección de vapor

Reduce T llama. Disociación del vapor de agua en O2 y H2. Eficaz en la reducción de NOx en turbinas de gas. Puede aumentar costes por el alto coste de la generación de vapor.

Aspectos Generales de La Combustion

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