COMBUSTION Y COMBUSTIBLES

Ricardo Garca San Jos. Ingeniero Industrial. (Noviembre 2.001)

01C22 01 COMBUSTION

INDICE

1.- DEFINICION................................................................................................................ 2.- ESTEQUIOMETRIA DE LAS COMBUSTIONES....................................................... 2.1.- COMBUSTION COMPLETA.............................................................................. 2.2.- COMBUSTION INCOMPLETA.......................................................................... 2.3.- COMBUSTION ESTEQUIOMETRICA............................................................... 2.3.1.- PODER COMBURIVORO........................................................................ 2.3.2.- PODER FUMIGENO................................................................................ 2.3.3.- COEFICIENTE DE EXCESO DE AIRE................................................... 3.- PODERES CALORIFICOS........................................................................................... 3.1.- PODER CALORIFICO INFERIOR (PCI)............................................................ 3.2.- PODER CALORIFICO SUPERIOR (PCS)........................................................... 4.- RENDIMIENTO DE LA COMBUSTION..................................................................... 5.- COMBUSTION Y CONTAMINACION AMBIENTAL................................................ 5.1.- CONTAMINACION DEBIDA AL CARBONO................................................... 5.2.- CONTAMINACION DEBIDA AL AZUFRE....................................................... 5.3.- CONTAMINACION DEBIDA AL NITROGENO............................................... 5.4.- LIMITES ADMISIBLES...................................................................................... 5.4.1.- LIMITES DE EMISION............................................................................ 5.4.2.- LIMITES DE INMISION.......................................................................... 6.- CLASIFICACION DE LOS COMBUSTIBLES............................................................ 7.- ANALIZADORES DE COMBUSTION........................................................................

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BIBLIOGRAFIA

TEORIA DE LA COMBUSTION

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1.- DEFINICION La combustin es un conjunto de reacciones de oxidacin con desprendimiento de calor, que se producen entre dos elementos: el COMBUSTIBLE, que puede ser un slido (Carbn, Madera, etc.), un lquido ( Gasleo, Fuel-Oil, etc.) o un gas (Natural, Propano, etc.) y el COMBURENTE, Oxgeno. La combustin se distingue de otros procesos de oxidacin lenta, por ser un proceso de oxidacin rpida y con presencia de llama; a su vez tambin se diferencia de otros procesos de oxidacin muy rpida (detonaciones, deflagraciones y explosiones) por obtenerse el mantenimiento de una llama estable. Para que la combustin tenga lugar han de coexistir tres factores: - COMBUSTIBLE. - COMBURENTE. - ENERGIA DE ACTIVACION. Estos tres factores se representan en el denominado tringulo de combustin, en l cual si falta alguno de los vrtices la combustin no puede llevarse a cabo. El comburente universal es el oxgeno, por lo que en la prctica se utiliza el aire como Figura 1: Tringulo de la Combustin comburente, ya que est compuesto, prcticamente, por 21% Oxgeno (O 2 ) y 79% Nitrgeno (N 2 ); nicamente en casos especiales se utilizan atmsferas enriquecidas en oxgeno e incluso oxgeno puro (por ejemplo en soldadura). La energa de activacin es el elemento desencadenante de la reaccin de combustin; en los quemadores habitualmente suele obtenerse mediante una chispa elctrica entre dos electrodos, en las calderas individuales de gas se obtiene por llama piloto, tren de chispas, etc. La mayora de los combustibles, al margen de que sean slidos, lquidos o gaseosos, estn compuestos, bsicamente, por Carbono (C) e Hidrgeno (H); adems de estos componentes principales tienen otros como Azufre (S), Humedad (H2O), Cenizas, etc. En primer lugar se analiza la combustin desde el punto de vista de sus componentes fundamentales (C, H); posteriormente se comentar la influencia de los restantes elementos. Las reacciones de combustin son: C + O 2 CO2 + Calor (28,09 kWh/kgCO2 ) 2 H 2 + O 2 2 H2O + Calor (39,47 kWh/kgH 2) En la prctica los combustibles pueden definirse de la forma Cx Hy , dando lugar a las siguientes reacciones: CxHy + n O2TEORIA DE LA COMBUSTION

x CO2 + (y/2) H2O + CalorPgina 3

2.- ESTEQUIMETRIA DE LAS COMBUSTIONES Las consideraciones siguientes se refieren al uso de aire como comburente, ya que es el utilizado en la prctica totalidad de las instalaciones de calderas. La estequiometra de la combustin se ocupa de las relaciones msicas y volumtricas entre reactivos y productos. Los aspectos a determinar son principalmente: - Aire necesario para la combustin - Productos de la combustin y su composicin Para predecir estas cantidades es preciso referirse a un proceso ideal que dependa de unos pocos parmetros, bsicamente la naturaleza del combustible. Para definir este proceso ideal se consideran los tipos de combustin que pueden darse: 2.1.- COMBUSTION COMPLETA Conduce a la oxidacin total de todos los elementos que constituyen el combustible. En el caso de hidrocarburos: Carbono Hidrogeno Azufre Nitrgeno Oxigeno CO2 H2 O SO2 N2 Participar como oxidante

El Nitrgeno se considera como masa inerte, si bien a las altas temperaturas de los humos pueden formarse xidos de nitrgeno en pequeas proporciones (del orden de 0,01%). 2.2.- COMBUSTION INCOMPLETA Los componentes del combustible no se oxidan totalmente por lo que aparecen los denominados inquemados , los mas importantes son CO y H2 ; otros posibles inquemados son carbono, restos de combustible, etc. 2.3.- COMBUSTION ESTEQUIOMETRICA Es la Combustin Completa realizada con la cantidad estricta de oxgeno; es decir, el aire empleado en la combustin es el mnimo necesario para contener la cantidad de oxgeno correspondiente a la oxidacin completa de todos los componentes del combustible. La expresin de esta combustin es: CxHy + n Aire (O2 + N 2) x CO 2 + (y/2) H2O + 0,79 nN 2 + Calor (Q)

En este caso 0,21 n = x + (y/4), siendo el calor generado es el correspondiente a la combustin completa.TEORIA DE LA COMBUSTION Pgina 4

La combustin estequiomtrica permite definir los parmetros caractersticos de los combustibles: 2.3.1.- PODER COMBURIVORO Es la cantidad de aire seco, medida en condiciones normales (T =0C y P=1atm), mnima necesaria para la combustin completa y estequiomtrica de la unidad de combustible. Unidades habituales: Nm3 /kgCombustible, Nm3 /Nm3 Combustible. Es un parmetro caracterstico nicamente de la composicin del combustible y puede tabularse con facilidad. 2.3.2.- PODER FUMIGENO3 Es la cantidad de productos de la combustin (Nm) que se producen en la combustin estequiomtrica de la unidad de combustible.

En funcin de considerar o no el vapor de agua existente en los productos de la combustin, se tienen Poderes Fumgenos Hmedo y Seco, respectivamente. 2.3.3.- COEFICIENTE DE EXCESO DE AIRE La mayor parte de las combustiones no transcurren en estas condiciones ideales (completa y estequiomtrica), el principal aspecto a considerar ser la posibilidad de que la combustin transcurra con exceso o defecto de aire, para caracterizar la proporcin de oxigeno se define el parmetro coeficiente de exceso de aire: n = volumen aire por unidad de combustible / Poder Comburvo ro n = 1 : Combustin Estequiomtrica n < 1 : Defecto de aire, se dice que la mezcla es rica n > 1 : Exceso de aire, se dice que la mezcla es pobre As la combustin puede ser clasificada en: * COMBUSTION CON DEFECTO DE AIRE La cantidad de aire utilizada no contiene el oxgeno necesario para oxidar completamente a los componentes del combustible. CxHy + n2 (O 2 + N 2) CO2 + CO + H 2 + H2O + 0,79 n2 N2 + Calor (Q 1)

Adems de los productos normales de la combustin, Dixido de carbono (CO2) y Agua (H2O), se producen inquemados como el Monxido de Carbono (CO) e Hidrgeno (H2 ); en algunos casos con mucho defecto de aire puede haber incluso carbono y combustible sin quemar, en los humos. El calor producido es inferior al de la combustin completa (Q 1 Q).TEORIA DE LA COMBUSTION Pgina 5

* COMBUSTION CON EXCESO DE AIRE En este caso la cantidad de aire aportada es superior a la correspondiente a la combustin estequiomtrica; la combustin en estas condiciones puede ser completa o incompleta. - COMPLETA Su expresin es: CxHy + n1 (O2 + N2) 0,21 n1 x + y/4 x CO2 + (y/2) H2O + 0,21 (n1 - n) O2 + 0,79 n1 N2 + Calor (Q)

Al emplearse ms aire que el estrictamente necesario, en los humos se da la presencia de oxgeno. El calor generado (Q) es el correspondiente a la combustin completa. - INCOMPLETA La cantidad de aire utilizada es superior a la correspondiente a la combustin estequiomtrica, pero a pesar de ello, debido fundamentalmente a que no se ha logrado una buena mezcla entre el combustible y el aire, los componentes del combustible no se oxidan totalmente. CxHy + n1 (O2 + N2) CO2 + CO + H 2 + H2O + O 2 + 0,79 n1 N2 + Calor (Q 2)

Respecto a la combustin incompleta con defecto de aire, en los productos de la combustin tambin se tiene oxgeno; en casos extremos en los humos puede haber carbono y combustible sin quemar. El calor producido es inferior al de la combustin completa (Q 2 Q).

La combustin estequiomtrica prcticamente es irrealizable, lo que obliga a operar con excesos de aire con el fin de lograr combustiones completas. El calor producido en la combustin completa es independiente del exceso de aire, pero el aprovechamiento de este calor es tanto menor cuanto mayor es el exceso de aire con el que se trabaja, ya que una parte del calor de la combustin se utiliza en calentar a los humos y stos aumentan con el exceso de aire; por todo ello, en la prctica se buscan combustiones completas con los menores excesos de aire posibles; esto se consigue con una adecuada puesta a punto de los elementos que intervienen en la combustin (lneas de combustible, quemadores, calderas y chimeneas) y un correcto mantenimiento. Para obtener una correcta combustin debe lograrse una buena mezcla del combustible con el aire; en este sentido los combustibles gaseosos presentan mayor facilidad de mezcla que los lquidos y stos a su vez ms que los slidos; por este motivo pueden obtenerse menores excesos de aire con los combustibles gaseosos.

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3.- PODERES CALORIFICOS Se define como Poder Calorfico de un combustible, a la cantidad de calor que se obtiene de la oxidacin completa, a presin atmosfrica, de los componentes de la unidad de masa (o volumen) de dicho combustible. Habitualmente se expresa en las siguientes unidades - Combustibles slidos: - Combustibles lquidos: - Combustibles gaseosos: kWh/kg. kWh/kg kWh/l. kWh/kg kWh/Nm3. (*)

(*) Nm3 (Normal m3) es el gas contenido en 1 m3 a 0 C y presin atmosfrica. A veces se utiliza Sm3 (Estndar m3) que es el gas contenido en 1 m3 a 15 C y presin atmosfrica. En la combustin, por la oxidacin del hidrgeno, se forma agua; adems, los combustibles pueden tener un cierto grado de humedad en su composicin; dependiendo del estado en que aparezca el agua en los humos, se distinguen dos tipos de poderes calorficos:

3.1.- PODER CALORIFICO INFERIOR (PCI) Es la cantidad de calor que puede obtenerse en la combustin completa de la unidad de combustible, si en los productos de la combustin el agua est en forma de vapor. En este caso una parte del calor generado en las oxidaciones se utiliza para evaporar el agua, por tanto esta parte del calor no se aprovecha.

3.2.- PODER CALORIFICO SUPERIOR (PCS) En los productos de la combustin el agua aparece en forma lquida, por lo que se aprovecha todo el calor de oxidacin de los componentes del combustible.

Habitualmente el agua se evacua con los humos en fase vapor, por lo que el poder calorfico ms comnmente utilizado es el inferior.

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4.- RENDIMIENTO DE LA COMBUSTION El calor que puede obtenerse en una combustin es el correspondiente al Poder Calorfico del combustible (PCI PCS), habitualmente referido al PCI. Al realizar la combustin, una parte del calor producido se pierde, asociado a los productos de la combustin; estas prdidas se pueden agrupar en dos tipos:

- Prdidas por Inquemados (Qi) Corresponden al poder calorfico de los productos de la combustin que no han sido totalmente oxidados. Unicamente se presentan en el caso de combustiones incompletas, siendo ms altas cuanto mayor sea la cantidad de inquemados.

- Entalpa de los productos de la combustin (Qhs) Corresponde al calor utilizado en calentar los humos hasta la temperatura a la cual escapan por la chimenea, ya que a partir de ese punto el calor que llevan no se recupera. Estas prdidas son mayores cuanto ms altas sean las temperaturas de humos. Tambin aumentan con el exceso de aire, ya que con el mismo aumenta el volumen de humos, transportando mayor cantidad de calor.

PCI - Qi - Qhsc

= PCI

c

= 1 - Qi/PCI Qhs/ PCI = 1 - qi - qhs

Con el fin de obtener el mximo rendimiento de combustin posible, sta debe ajustarse de modo que se logre la combustin completa con el menor exceso de aire posible. Adems, el gasto de combustible debe ajustarse de modo que se obtengan las temperaturas de humos ms bajas posibles, produciendo la potencia necesaria para el servicio.

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5.- COMBUSTION Y CONTAMINACION AMBIENTAL A la hora de seleccionar el combustible y de optimizar el proceso de combustin se deben considerar aspectos relacionados con la emisin de agentes polucionantes. Las normas actuales restringen estas emisiones, y de hecho uno de los factores mas importantes en el diseo de dispositivos de combustin en la actualidad reside en el control de emisiones contaminantes. Estas emisiones tienen diversos efectos perniciosos: - Afectan al equilibrio de la atmsfera terrestre: efecto invernadero, desaparicin de la capa de ozono, alteracin de la meteorologa, etc. - Afectan a la salud humana - Afectan a la vida animal y vegetal - Ensucian y deterioran los materiales: edificios, vehculos, etc. Con relacin a los hidrocarburos como combustibles, las principales causas de contaminacin son: 5.1.- CONTAMINACION DEBIDA AL CARBONO La combustin completa del carbono produce CO2 que es el principal contribuyente al efecto invernadero. Este componente es una consecuencia inevitable de la combustin. Si la combustin del carbono no es completa se produce CO, gas txico que en concentraciones elevadas puede provocar incluso la muerte, por lo que se debe evitar al mximo. La mejor forma de reducir el efecto de estos agentes es la de tratar de conseguir combustiones completas que no produzcan CO, y la de obtener los mayores rendimientos de combustin de modo que se consuma el mnimo combustible necesario, produciendo as la menor cantidad de CO 2 ; otra manera es seleccionar combustibles con menor produccin de CO 2 para la misma energa, el mejor en este aspecto es el Gas Natural. 5.2.- CONTAMINACION DEBIDA AL AZUFRE El azufre est presente en los c ombustibles en proporciones variables; la oxidacin del azufre puede producir SO 3 , este en contacto con el agua de la combustin o de la atmsfera puede dar lugar a cido sulfrico (H2 SO 4) condensado que acompaa a las gotas de lluvia, dando lugar a lo que se conoce como Lluvia cida. Para combatir este problema debe tratar de utilizarse combustibles con mnima presencia de azufre; en este sentido la normativa de combustibles fija la cantidad mxima de Azufre que los mismos pueden contener. Otro efecto pernicioso a tener en cuenta es la posibilidad de condensaciones cidas en los dispositivos de combustin (calderas, chimeneas) si las temperaturas son suficientemente bajas, esto limita la temperatura de expulsin de los gases de la combustin. A presin atmosfrica, las

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temperaturas de condensacin cida son del orden de 160C, variando con la composicin de los humos.

5.3.- CONTAMINACIN DEBIDA AL NITROGENO A las elevadas temperaturas de la llama, el nitrgeno que forma parte del combustible y el nitrgeno del aire comburente pueden combinarse con el oxgeno para formar NO, este producto en la atmsfera se combina lentamente con el oxgeno del aire para formar NO 2 . Entre los diferentes efectos perniciosos de estos xidos (NO y NO2, denominados conjuntamente como NOx) se pueden citar: - Colaboran en la destruccin de la capa de ozono de forma importante - En combinacin con el agua de la atmsfera pueden dar lugar a condensaciones cidas lo que incrementa la Lluvia cida. - El NO2 es un gas venenoso. La formacin del NO se potencia a elevadas temperaturas, a temperaturas inferiores a unos 1.300C apenas es considerable. El exceso de aire en la combustin tambin favorece su formacin aunque en menor medida que la temperatura. As las diferentes soluciones que se han propuesto para minimizar estas emisiones en lo posible tratan de disminuir las temperaturas de llama; en principio esto afectara negativamente al rendimiento de la combustin, por lo que se trata de buscar soluciones que compensen la perdida de rendimiento. El problema no es sencillo y esta lejos de resolverse definitivamente.

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5.4.- LIMITES ADMISIBLES Las instalaciones de combustin pueden provocar problemas de contaminacin, por una parte por los humos que salen por las chimeneas, pero por otra tambin pueden deteriorar la calidad del aire ambiente, debido a escapes de humos hacia los locales; esta ltima situacin es mas peligrosa cuando se utilizan calderas atmosfricas con cortatiros, o aparatos a gas No Conectados a conducto de evacuacin de humos. Evidentemente los niveles mximos permitidos son diferentes para las emisiones al exterior que para las inmisiones a los locales; ya que las primeras se dispersan en la atmsfera diluyndose en la misma y las segundas afectan directamente a las personas. 5.4.1.- LIMITES DE EMISION En las instalaciones de climatizacin los limites de emisin, actualmente solo estn reglamentados para el CO; los mismos son: - RITE < 1.000 ppm. (ppm = partes por milln). - Pas Vasco: para Gas < 800 ppm, para valores entre 400 y 800 ppm se debe revisar el equipo. Deben ser No Diluidos, o Corregidos, es decir referidos a la combustin estequimetrica (sin exceso de aire); la unidad ppm no resulta suficientemente significativa ya que no considera el exceso de aire y, por ejemplo, en una caldera atmosfrica la medicin es totalmente diferente que se realice antes o despus del cortatiros y sin embargo la contaminacin es la misma. Sera mas adecuado que el nivel se fijase en mg/kWh, de manera que todos los combustibles seran comparables. 5.4.2.- LIMITES DE INMISION En la tabla siguiente se muestran las concentraciones mximas admisibles en el aire interior, desde el punto de vista sanitario, de las sustancias contaminantes procedentes de la combustin; estos datos se refieren a periodos de exposicin de 8 horas y han sido obtenidos a partir de resultados publicados por organismos internacionales como WHO, EPA, ASHRAE; si bien no estn recogidos en la normativa aplicable vigente. Para periodos de exposicin mas cortos se pueden admitir concentraciones superiores. CONCENTRACIONES MAXIMAS (Periodo de estancia 8 horas) SUSTANCIA CONCENTRACION 800 ppm DIOXIDO DE CARBONO CO2 9 ppm MONOXIDO DE CARBONO CO 0,15 mg/m3 OXIDOS DE NITROGENO NOx DIOXIDO DE AZUFRE SO2 0,80 mg/m3

Respecto al CO ambiente los lmites en el Pas Vasco son < 15 ppm; entre 5 y 15 ppm se deben revisar los aparatos de combustin.TEORIA DE LA COMBUSTION Pgina 11

6.- CLASIFICACION DE LOS COMBUSTIBLES Todos los combustibles industriales se caracterizan por estar constituidos por mezclas o combinaciones de pocos elementos. La mayor proporcin (en peso) corresponde a Carbono, Hidrogeno y en muchos casos algo de Azufre, elementos cuyas reacciones de combustin son exotrmicas. El resto, mucho m reducido cuantitativamente, esta constituido por Oxigeno, Nitrgeno, agua, y as cenizas (slices, compuestos organometlicos de vanadio y otros, arcillas, sales de sodio y otros, xidos de hierro, etc), su presencia representa problemas tecnolgicos especficos de cada combustible. La clasificacin de los combustibles convencionales puede realizarse de diferentes formas. Atendiendo a su origen, pueden ser fsiles o no fsiles, segn procedan o no de restos fermentados de seres vivos, sepultados en la era secundaria. Segn su grado de preparacin se clasifican en naturales, su utilizacin es directa tal y como aparecen en origen, y elaborados o manufacturados, que deben ser sometidos a complejos tratamientos o incluso a preparacin qumica especifica. Dependiendo de la fase en que se presenten: combustibles slidos, lquidos y gaseosos. La fase es uno de los factores determinantes en el diseo de los dispositivos de combustin as como en el de las instalaciones de preparacin y manejo del combustible. CLASIFICACION DE COMBUSTIBLES INDUSTRIALESMaderas y Residuos Vegetales Turbas Lignitos Carbn Hullas Antracita Coques (Carbn y Petrleo) Aglomerados y Briquetas Carbn Vegetal Naturales (Fermentacin s Hidrlisis) Artificiales Lejas Negras Gasleos Fuelleos Fuel-Gas Difrentes Familias Propanos y Butanos Gas de Alto Horno Gas de Coque Gas Pobre Gas de Agua Gas Ciudad

NATURALES SOLIDOS ARTIFICALES ALCOHOLES LIQUIDOS RESIDUALES DERIVADOS DEL PETROLEO RESIDUALES GSA NATURAL GASES LICUADOS DEL PETROLEO (GLP) GASEOSOS ARTIFICALES o ELABORADOS

BIOGAS

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En los cuadros siguientes se dan las caractersticas de los combustibles comercializados en Espaa; los contenidos de azufre mximos estn regulados por las normativas vigentes; de entre ellos los mas utilizados en las instalaciones de Climatizacin son: Gasleo-C, Gas Natural y Gas Propano.CUADRO RESUMEN CARACTERISTICAS DE FUEL OILCOMBUSTIBLE UNIDAD DENSIDAD PCI (PODER CALORIFICO INFERIOR) PCS (PODER CALORIFICO SUPERIOR) PCI/PCS PODER COMBURIVORO PODER FUMIGENO SECO PODER FUMIGENO HUMEDO PFS/PC CO2 PRODUCIDO EN COMBUSTION H 2 O PRODUCIDO EN COMBUSTION CO2 maximo (%) CONTENIDO AZUFRE FUEL OIL BIA kg 960 9.588 11,15 10.116 11,76 kg/m kcal/kg kWh/kg kcal/kg kWh/kg 0,9483 3 3

FUEL OIL 1 kg 960 9.465 11,01 9.985 11,61 kg/m kcal/kg kWh/kg kcal/kg kWh/kg 0,9483 3 3

FUEL OIL 2 kg 980 9.271 10,78 9.767 11,36 kg/m kcal/kg kWh/kg kcal/kg kWh/kg 0,9493 3 3

10,29 Nm /kg 0,92 Nm /kWhPCI 3 9,75 Nm /kg 0,87 Nm /kWhPCI 3 10,87 Nm /kg 0,97 Nm /kWhPCI 0,947 3,15 kg/kg 283 gr/kWhPCI 1,53 kg/kg 137 gr/kWhPCI 16,47%