COMBUSTIBLE COMBUSTION Y CONTAMINACION

Integrantes: Jonathan Mundaca V. Cristian Rojas T Michael Rosas P.

CALDERAS

Es un recipiente cerrado, sujeto a presión, con un fluido de trabajo en su interior el cual puede cambiar de estado a presión constante, el fluido es transformado en vapor a una presión y temperatura mayor a la atmosférica, por medio de calor que produce un combustible al quemarse mediante el proceso de combustión.El proceso de combustión se puede definir como la combinación química rápida del oxigeno con elementos combustibles, los principales elementos del combustible son: carbono, hidrogeno y azufreLas calderas o generadores de vapor son dispositivos cuyo objetivo es:a) Generar agua caliente para calefacción y uso general.b) Generar vapor para plantas de fuerza, procesos industriales o calefacción. 

Las calderas industriales pueden clasificarse de acuerdo a su diseño en:Calderas Pirotubulares y Calderas Acuotubulares.

Clasificación según combustibles

• Calderas con combustibles sólidos.

• Calderas con combustibles líquidos .

• Calderas con combustible gaseoso.

Calderas para combustibles sólidos.

En las industrias energeticas el carbon ha sido durante años el combustible mas utilizado para la generacion de vapor, y consecuentemente la electricidad debido a sus caracteristicas de su combustion y manejo.Otro hecho importante es su precio es relativamente barato, homogeneo y altamente disponibleCarbón Pulverizado de Alta EficienciaEl carbón pulverizado es un tecnología que data desde hace más de medio siglo, la cual remplazó como estándar a las calderas con quemadores de parrilla. Los avances en este tipo de calderas corresponden al diseño y operación de aquellas que funcionan en el rango supercrítico del vapor, denominadas calderas supercríticas (e.g. vapor a 240 bar y sobre 565 °C), donde el principal beneficio es la mayor eficiencia alcanzada respecto a sus predecesoras, las calderas de carbón pulverizado subcríticas (e.g. 160 bar y 540 °C).

Calderas con Combustibles Líquidos

Estas calderas son acuotubulares al igual que en el caso anterior cambiando solamente el quemador, las dimensiones del fogón y el sistema de alimentación de combustibles. De preferencia utilizan petróleos pesados (fuel oil), por su menor costo, pudiendo utilizar también diesel.

Ver Figura 5.

Calderas que Consumen Combustibles GaseososEste tipo de calderas son prácticamente iguales a las que

consumen petróleo, y en la práctica existen equipos con quemadores duales (gas, petróleo).

Los quemadores inyectan el gas a presión el que se dispersa fácilmente en el aire lo que genera condiciones apropiadas de combustión. Ver Figura 6.

 Son piezas metálicas en formas de rejas, generalmente rectangulares, que van en el interior del hogar y que sirven de soporte al combustible sólido. Debido a la forma de reja que tienen, permiten el paso del Aire que sirve para que se produzca la combustión.Se construyen generalmente de fierro fundido y, a veces de acero blando forjado. Para evitar que se quemen las planchas superiores o cielo del hogar, por el excesivo calentamiento e impedir que se apaguen las llamas por su prematuro contacto con dichas paredes frías, se establecen distancias mínimas entre ellas y la parrilla 

Parrilla.

 Las parrillas deben adaptarse al combustible y cumplir los siguientes requisitos:

Deben permitir convenientemente el paso del aire Deben permitir que caigan las cenizas Deben permitir que se limpien con facilidad y rapidez Deben impedir que se junte escoria Los barrotes de la parrilla deben ser de buena calidad para que

no se quemen o deformen Deben ser durables Algunos diseños de parrillas permiten que por su interior pase

agua para refrigerarlas y evitar recalentamientos. 

TIPOS DE PARRILLAS

Según su instalación:

Fijas o estacionarias: Son aquellas que no se mueven durante el trabajoMóviles o rotativas: Son aquellas que van girando o avanzando mientras se quema el combustible.

Según su posición:HorizontalesInclinadasEscalonadas

El oxígeno tiene la capacidad de combinarse con diversos elementos para producir óxidos. Por ende, oxidación es la combinación del oxígeno con otra sustancia. Existen oxidaciones que son sumamente lentas, como por ejemplo la del hierro. Cuando la oxidación es rápida se llama combustión.

La combustión es una reacción química de oxidación, en la cual generalmente se desprende una gran cantidad de energía, en forma de calor y luz, manifestándose visualmente como fuego. En toda combustión existe un elemento que arde (combustible) y otro que produce la combustión (comburente), generalmente oxigeno en forma de O2 gaseoso.

COMBUSTION

Los tipos mas frecuentes de combustible son los materiales orgánicos que contienen carbono e hidrogeno. En una reacción completa todos los elementos tienen el mayor estado de oxidación. Los productos que se forman son el dióxido de carbono (CO2) y el agua, el dióxido de azufre (SO2) (si el combustible contiene azufre) y pueden aparecer óxidos de nitrógeno (NOx), dependiendo de la temperatura y cantidad de oxígeno en la reacción.

Para iniciar la combustión de cualquier combustible, es necesario alcanzar una temperatura mínima, llamada temperatura de ignición, que se define como, en ºC y a 1 atm, temperatura a la que los vapores de un combustible arden espontáneamente.

En la combustión incompleta los productos que se queman pueden no reaccionar con el mayor estado de oxidación, debido a que el comburente y el combustible no están en la proporción adecuada, dando como resultado compuestos como el monóxido de carbono (CO).

El proceso termina cuando se consigue el equilibrio entre la energía de los compuestos que reaccionan y la de los productos de la reacción. Con el punto de ignición se alcanza la temperatura de inflamación, activado por la energía de una chispa o por la llama de un fosforo.

La ecuación química de una combustión correcta, es:

combustible + O2 H2O + CO2 + Energia

De esta ecuación química, se producen distintos tipos de reacciones, producto de la quema de un combustible. Las principales reacciones (además del calor desprendido en la misma), se expresan como sigue.

C + O2 → CO2 + 32840 kJ / kg. de Carbono.2 C + O2 → 2 CO + 9290 kJ / kg. de Carbono ( combustión parcial )2 H2 + O2 → 2H2O + 119440 kJ / kg. de Hidrógeno.S + O2 → SO2 + 9290 kJ / kg. de Azufre

 Los quemadores aplicables a las calderas de instalaciones industriales, se pueden clasificar en los siguientes grupos esenciales, teniendo en cuenta la forma de tratar el combustible para configurar la llama:

Quemadores de combustibles líquidos:Quemadores de combustibles gaseosos:Quemadores de combustibles sólidos: 

TIPO DE QUEMADORES

   Quemadores de combustibles líquidos

1.- El combustible se vaporiza o gasifica por calentamiento en el quemador.2.- El aceite combustible debe atomizarse por el quemador de modo que la vaporización pueda tener lugar en la cámara de combustión.Los quemadores de vaporización (primer grupo) están limitados en sus rangos a combustibles que puedan ser manipulados manualmente, y por ello tienen poca utilización en plantas industriales Ésta atomización se efectúa de tres formas básicas:1.- Forzando al combustible a pasar a presión por un orificio.2.- Usando vapor o aire comprimido para romper el combustible en gotitas.3.- Desprendiéndola de una película de combustible por centrifugado Clasificación general de los tipos de quemadores de combustible líquido1.- De pulverización mecánica, o por presión:2.- De pulverización asistida, o por inyección de fluido auxiliar3.- Rotativos, de pulverización centrífuga:

1.- De pulverización mecánica, o por presión:En estos quemadores, se queman combustibles líquidos, fundamentalmente, gas-oil o fuel-oil. Estos llegan por el interior de la caña a su extremo, ya en el interior de la cámara de combustión, en donde se encuentran instalados los mecanismos de pulverización          Ventajas:1.- No se retorna combustible al tanque de almacenaje o aspiración de la bomba.2.- El combustible entra al circuito cerrado con el mismo caudal con el que se quema, simplificando así el sistema de medida y control de combustión.3.- La bomba puede utilizarse para suministrar presión a los quemadores existentes.

2.- De pulverización asistida, o por inyección de fluido auxiliar:La diferencia con los quemadores de pulverización mecánica es que, a través de la caña, se conduce un fluido auxiliar que se inyecta en su cabeza y emulsiona el combustible, formando una mezcla que se pulveriza más fácilmente, a una presión, generalmente algo más baja que en el caso de pulverización mecánica.          Ventajas:1.- Aporta calor al combustible, favoreciendo el proceso de combustión y de limpieza de la caña.2.- No se requiere la instalación auxiliar de producción de aire comprimido, que no siempre está disponible en la central.  

3.- Rotativos, de pulverización centrífugaA menudo son conocidos también con el nombre de Quemadores rotativos de copa. En estos quemadores se queman combustibles líquidos, indistintamente, ligeros (gas-oil), o pesados (fuel-oil).La pulverización se logra por la fuerza centrifuga que se comunica al combustible por medio de un elemento rotativo interno.El elemento rotativo suele ser una copa, que gira a gran velocidad (normalmente unas 3500 RPM), accionada por un motor eléctrico, que distribuye el combustible y lo lanza perimetralmente hacia delante en forma de tronco de cono.

Quemadores de combustibles gaseososDe flujo paralelo, con mezcla por turbulencia:Quemadores atmosféricos: De flujo paralelo, con mezcla por turbulencia:En estos quemadores se queman combustibles gaseosos como el gas natural. El principio fundamental de diseño y funcionamiento de estos quemadores, es el siguiente:La cabeza de combustión se compone, esencialmente, de un dispositivo con aletas, llamado roseta (1), dispuesto en un director de aire cilíndrico (2).El aire comburente, que llega paralelamente al eje del quemador, se pone parcialmente en rotación por la acción de la roseta. Esta última, no ocupa toda la sección del conducto de aire; el espacio anular permite conservar una parte de la vena de aire en movimiento axial. Esta combinación de un flujo axial y de un flujo rotacional compone un chorro de torbellino, que provoca la mezcla en el gas.Cuando se combinan los quemadores que se acaban de describir para quemar, simultáneamente o por separado, más de un combustible se emplean los llamados quemadores mixtos.     

Quemadores atmosféricos:En ellos el gas induce el aire atmosférico en el tubo de mezcla, en cuyo extremo se forma la llama.No se requiere pues de ventilador de aire, ni órganos mecánicos que regulen el caudal de aire en función del caudal de gas.Cuando en un quemador atmosférico de inyector fijo se hace variar la presión del gas, varía el caudal de éste, pero el caudal de aire aspirado no varía proporcionalmente, de modo que el valor de la amplitud de la llama aumenta con la presión en régimen laminar, pero decrece en régimen turbulento.Estos quemadores se usan principalmente en los aparatos domésticos de gas y tienen aplicaciones industriales limitadas; raramente sobrepasan potencias entre 50 y 200 kW. 

Quemadores de combustibles sólidos

1.- Quemadores de carbón pulverizado:El carbón debe secarse, pulverizarse a tamaño que depende de a clase de carbón (así la hulla se pulveriza de modo que el 80% sea inferior a 0,1 mm; el lignito, el 60% es inferior a 0,1 mm), y se transporta neumáticamente al quemador, de modo que el aporte de aire suele representar del 20 al 40% del aire de combustión según sea el contenido de humedad y cenizas.   2.- Cámara de combustión tipo ciclón:La combustión tiene lugar a elevadas temperaturas en una cámara recubierta de escoria fundida, que así hace de aislante, evita pérdidas de calor y asegura temperaturas elevadas.El carbón pulverizado entra con el aire primario tangencialmente y, de modo independiente, también se alimenta el aire secundario. Las partículas mayores de carbón tienden hacia la pared, donde son captadas mientras que las finas, arrastradas por el aire, son quemadas completamente. Se consiguen potencias (por unidad de volumen de cámara) de hasta 9 MW/m3. 

El poder calorífico de combustión, es la cantidad de energía que puede entregar un combustible cuando es quemado totalmente. Se expresa en unidades de energía (J o kWh) por unidades de masa (kg) y depende del tipo de combustible. Iguales masas de combustibles diferentes, desprenden diferentes cantidades de calor al quemarse totalmente. De otro modo, masas diferentes del mismo combustible desprenden, también, diferentes cantidades de calor. En la Tabla 4.1, se presenta el poder calorífico de distintos combustibles. Por cada kilogramo de residuos de madera que sean quemados, se generarán 3,34 kWh, mientras para igual cantidad de carbón, la cantidad de energía que se generará es más del doble que en comparación con los residuos de madera. Finalmente, la cantidad de energía que genera un combustible dado, se podrá calcular a través de la relación entre la cantidad de combustible utilizado y su respectivo poder calorífico.

Poder calorífico de los combustibles

CONTAMINACION ATMOSFERICA

La explotación intensiva de los recursos naturales y el desarrollo de grandes concentraciones industriales y urbanas en determinadas zonas, son fenómenos que, por incontrolados, han dado lugar a la saturación de la capacidad asimiladora y regeneradora de la Naturaleza y pueden llevar a perturbaciones irreversibles del equilibrio ecológico general, cuyas consecuencias a largo plazo no son fácilmente previsibles.

 Origen de la Contaminación

Atmosférica(Emisiones)

Existen dos tipos de fuentes emisoras bien diferenciadas: las naturales y las antropogénicas. En el primer caso la presencia de contaminantes se debe a causas naturales, mientras que en el segundo tiene su origen en las actividades humanas.Las emisiones primarias originadas por los focos naturales provienen fundamentalmente de los volcanes, incendios forestales y descomposición de la materia orgánica en el suelo y en los océanos. Por su parte, los principales focos antropogénicos de emisiones primarias los podemos clasificar en:

Focos fijos

Industriales

Procesos industriales

Instalaciones fijas de combustión

DomésticosInstalaciones de calefacción

Focos móviles

Vehículos automóviles

Aeronaves

Buques

Focos compuestosAglomeraciones industriales

Áreas urbanas

En el cuadro siguiente se muestra la proporción entre las emisiones primarias naturales y antropogénicas para los distintos contaminantes.

Focos de emisión

ContaminanteAntropogénicos

%Naturales

%

Aerosoles 11.3 88.7

SOx 42.9 57.1

CO   9.4 90.6

NO 11.3 88.7

HC 15.5 84.5

Principales focos de contaminacion

Contaminantes emitidos por los vehículos automóvilesLos principales contaminantes lanzados por los automóviles son: monóxido de carbono (CO), óxidos de nitrógeno (NOx), hidrocarburos no quemados (HC), y compuestos de plomo

Calefacciones domésticas

Este tipo de focos puede contribuir con un 20 a 30% de las emisiones totales a la atmósfera en áreas urbanas. Los principales contaminantes producidos dependen del tipo de combustible empleado.

En el caso del carbón los principales contaminantes producidos son: anhídrido sulfuroso, cenizas volantes, hollines, metales pesados y óxidos de nitrógeno. Cuando el combustible empleado es líquido (gasóleo o gasoil), los principales contaminantes emitidos son: SO2, SO3, NOx, hidrocarburos volátiles no quemados y partículas carbonosas.

Calderas industriales de generación de calor

la combustión de combustibles fósiles para la generación de calor y electricidad ocupa un lugar preponderante, tanto por la cantidad como por los tipos de contaminantes emitidos.Los combustibles utilizados por este tipo de instalaciones son el carbón y el fuel-oil. La producción de contaminantes depende en gran medida de la calidad del combustible, en especial de las proporciones de azufre y cenizas contenidas en el mismo y del tipo de proceso de combustión empleado.Durante el proceso de combustión se libera a la atmósfera el azufre contenido en el combustible en forma de anhídrido sulfuroso. Junto con otros contaminantes como óxidos de nitrógeno, dióxido de carbono, metales pesados y una gran variedad de sustancias.

Contaminantes emitidos por la industria

La siderurgia integral. Produce todo tipo de contaminantes y en cantidades importantes, siendo los principales: partículas, SOx, CO, NOx, fluoruros y humos rojos (óxidos de hierro).Refinerías de petróleo. Producen principalmente: SOx, HC, CO, NOx, amoniaco, humos y partículas.Industria química.Produce, dependiendo del tipo de proceso empleado: SO2, nieblas de ácidos sulfúrico, nítrico y fosfórico y da lugar a la producción de olores desagradables.Industrias básicas del aluminio y derivados del fluor. Producen emisiones de contaminantes derivados del flúor.

Efectos Producidos por la Contaminación Atmosférica

Las emanaciones de polvos y gases corrosivos deterioran el medio ambiente dando lugar a olores desagradables, pérdida de visibilidad y daños para la salud humana, para los cultivos y otras formas de vegetación y sobre los materiales de construcción.

Los efectos producidos por la contaminación atmosférica dependen principalmente de la concentración de contaminantes, del tipo de contaminantes presentes, de tiempo de exposición y de las fluctuaciones temporales en las concentraciones de contaminantes, así como de la sensibilidad de los receptores y los sinergismos entre contaminantes. Hay que tener muy en cuenta la graduación del efecto a medida que aumentan la concentración y el tiempo de exposición.    

Limites Admisibles    

Los humos que salen por las chimeneas, pueden deteriorar la calidad del aire ambiente.Evidentemente los niveles máximos permitidos son diferentes para las emisiones al exterior que para las inmisiones; ya que las primeras se dispersan en la atmósfera diluyéndose en la misma y las segundas afectan directamente a las personas