GASES de Combustion

5/16/2018 GASES de Combustion - slidepdf.com

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1. Qué son los gases de combustión

El incremento de todo tipo de combusti6n es un agente contaminante del ambiente conconcentraciones siempre mayores de polución. La formación de humos, la lluvia ácida y elaumento del número de alergias son consecuencias directas de este desarrollo. La solución

para una producción de energía que no perjudique el medio ambiente debe, por lo tanto,suponer una reducción de las emisiones contaminantes. Los contaminantes en los gases decombusti6n sólo pueden reducirse eficazmente si las plantas existentes operan con elmáximo rendimiento posible o si se cierran las calderas nocivas. El análisis de los gases decombustión ofrece un medio para determinar las concentraciones de contaminantes y paraajustar al máximo rendimiento las instalaciones de calor.

1.1 Unidades de medición

La presencia de contaminantes en los gases de combusti6n puede detectarse a partir de ]aconcentraci6n de los compuestos del gas. Generalmente, se utilizan las unidades siguientes:

ppm (partes por millón)

Corno " el tanto por ciento (%)" ppm describe una proporción. Por ciento significa "unnúmero x de partes de cada cien", mientras que ppm significa "un número x de partes encada millón". Por ejemplo, si en un cilindro de gas hay 250 ppm de mon6xido de carbono(C0), entonces, si partimos de un mi116n de partículas de gas, 250 son de mon6xido decarbono. Las otras 999.750 partículas son de nitrógeno (N2) y de oxigeno(02 ). La unidadppm es independiente de la presión y la temperatura, y se utiliza en concentraciones bajas.Si la concentraci6n presente es elevada, se expresa en porcentaje (%). La conversi6n escomo sigue:

10 000ppm

= 1 %

1 000 ppm=

0.1%

100 ppm=

0.01%

10 ppm

=

0.001%

1 ppm = 0.0001%

Ejemplo:

Una concentraci6n de oxígeno del 21 ,, es equivalente a una concentraci6n de 210.000 ppm02.



mg/Nm 3

(miligramos por metro cúbico)

Con la unidad mg/Nm 3, el volúmen normal (normal metros cúbicos, Nm3) se toma comouna variable de referencia y la masa del gas que poluciona se indica en miligramos (mg).Como esta unidad varia con la presión y la temperatura, se toma como referencia el

volúmen en condiciones normales. Las condiciones normales son como siguen:

Temperatura: 0 ºCPresión: 1013 mbar (hPa)

De todas formas, esta informaci6n por si sola no es suficiente, ya que los volúmenesrespectivos en el gas de combustión varían según la proporci6n de oxigeno (dilución delgas de combustión con el aire ambiente). Por lo tanto, los valores respectivos medidosdeben convertirse a un volúmen particular de oxigeno, el contenido de oxigeno dereferencia (02 de referencia). Sólo los datos con el mismo contenido en oxígeno de

referencia pueden ser comparados. La medida del contenido de oxigeno (O 2 ) en el gas decombustión también es necesaria para convertir los ppm en mg/Nm 3. A continuación seindican las conversiones para monóxido de carbono (CO), 6xidos de nitr6geno (NOx) ydióxido de azufre (S02).

Conversiones a mg/Nm3 Bezug = referencia

CO(mg/m3)

=

NOx

(mg/m3

)=

SO2(mg/m3)

=

Los factores en ]a f6rmula corresponden a una densidad estándar de los gases en mg/m3.

mg/kWh (miligramos por kilowatio hora de energía)

Los cálculos se han realizado con datos específicos de combustible con el fin de determinarconcentraciones de gas que polucionan con una unidad relacionada a la energía mg/kWh.Por tanto hay diferentes factores de conversión para cada combustible. Mds adelante seindican los factores de conversión para ppm y mg/m3 a unidad relacionada con la energíamg/kWh. Por lo tanto, para convertir a mg/kWh, los valores medidos de concentraciones deemisión deben primero convertirse en gas de combustión no diluido (0% de oxígeno dereferencia).

Gasoil EL 1 ppm = 1.110 mg/kWh 1 mglkWh = 0.900 ppm



1 Mg/M3 = 0.889 mg/kWh 1 mg/kWh = 1.125 mg/m3

NOx 1 ppm = 1.822 mg/kWh 1 mg/kWh = 0.549 ppm1 mg/m3 = 0.889 mg/kWh 1 mg/kWh = 1.125 mg/m3

Gas Natural H (G 20)

CO 1 ppm = 1.074 mg/kWh 1 mg/kWh = 0.931 ppm1 Mg/M3 = 0.859 mg/kWh 1 mg/kWh = 1.164 Mg/M3

NOx 1 ppm = 1.759 mglkWh 1 mg/kWh = 0.569 ppm

1 mg/ml = 0.859 mg/kWh 1 mg/kWh = 1.164 rng/m3

Fig. 1: Factores de conversOn para unidades relacionadas a [a energia

1.2 Componentes de los gases de combustión

Los componentes de los gases de combustión se listan más adelante ordenadas según laconcentración en el gas.

Los factores de conversión para combustibles sólidos también dependen de la forma en queestos están disponibles (en una pieza, como gravilla, polvo, fragmento, etc.). Por ello losfactores deben chequearse cuidadosamente.

Nitrógeno (N 2 )

El nitrógeno (N2) es el principal componente (79 % vol.) del aire que respiramos. Este gasincoloro, inodoro y sin sabor no interviene en la combustión. Entra en la caldera como unlastre, se calienta y sale por la chimenea.

Valores típicos en gases de combustión: Calderas gas/gasoil: 78 % - 80 %

Dióxido de carbono (C02)

El dióxido de carbono es un gas incoloro, inodoro con un ligero sabor agrio. Bajo lainfluencia de la luz solar y el verde de las hojas, clorofila, las plantas convierten el dióxidode carbono (CO2) en oxigeno (O2) . La respiración humana y animal convierten el oxígeno(O2) otra vez en di6xido de carbono (CO2) . Esto crea un equilibrio que los productosgaseosos de la combusti6n distorsionan. Esta distorsi6n acelera el efecto invernadero. Elvalor limite de efecto es de 5.000 ppm. A concentraciones superiores al 15% en volúmen(150.000 ppm) en la respiración, se produce una pérdida inmediata de conciencia.

Valores típicos en gases de combustión.. C alderas de gasoil.. 12.5 % - 14 % / Calderas de

gas 10% - 12%.

Oxígeno (O2)

Parte del oxigeno (0,) disuelto en el aire combina con el hidrógeno (H 2 ) del combustible yforma agua (H20). Según la temperatura de los gases de combusti6n (TH), esta agua se



convierte en humedad del gas o en condensados. El oxigeno restante nos sirve para medir elrendimiento de la combusti6n y se utiliza para determinar las pérdidas por chimenea y elcontenido de di6xido de carbono (CO,).

Valores t í picos en gases de combustión:

Calderas de gasoil: 2 % - 5 %Calderas de gas: 2 % . 3 %.

Monóxido de carbono (CO)

El monóxido de carbono es un gas venenoso al respirar, incoloro, inodoro y es el productode una combusti6n incompleta. En una concentraci6n demasiado elevada, no permite que lasangre absorba oxigeno. Si, por ejemplo, el aire de una habitaci6n contiene 700 ppm CO,una persona respirando durante 3 horas morir. El valor límite de efecto es de 50 ppm.

Valores típicos en gases de combustión:

Caldera de gasoil: 80 ppm - 150 ppm

Caldera de gas: 80 ppm - 100 ppm.

Ó xidos de nitrógeno (NO x )

A altas temperaturas (combustión), el nitrógeno (N2) presente en el combustible y en el aireambiente combina con el oxigeno del aire (O2) y forma mon6xido de nitr6geno (NO).

Después de algún tiempo, este gas incoloro se oxida en combinaci6n con el oxígeno (O 2)para formar dióxido de nitrógeno (NO2). El N02 es soluble en agua, t6xico si se respira(produce daños irreversibles en el pulmón), y contribuye a la formación de ozono encombinación con la radiaci6n ultravioleta (Luz solar). El NO y el NO 2 en conjunto sellaman óxidos de nitrógeno (NOx).

Valores típicos en gases de combustión:

Calderas gas / gasoil: 50 ppm - 100 ppm

Dióxido de azufre (S02)

El dióxido de azufre (S02 ) es un gas t6xico, incoloro con un olor fuerte. Se forma a partirdel azufre del combustible. El valor limite del efecto es de 5 ppm. E] Ácido sulfúrico(H2SO2) se forma en combinación con el agua (H20) o condensados.. Valores típicos en

gases de combustón de calderas de gasoil: 180 ppm - 220 ppm.

Hidrocarburos inquemados (CxHy)



Los hidrocarburos inquemados (C,H ) se forman cuando la combusti6n es incompleta ycontribuyen al efecto invernadero. Este grupo incluye metano (CH,), butano (C,Hlo) ybenzeno.(C6 H d' Valores típicos en gases de combustión de calderas de gasoil: <50 ppm.

Hollín

El hollín también es carbón puro, resultante de una combustión incompleta. Valores típicos

en gases de combustión de calderas de gasoil.. HoWn derivado 0 6 1.

Partículas sólidas

Las partículas sólidas (polvo) es el nombre que se da a pequeñas partículas sólidasdistribuidas en el aire. Esto puede ocurrir en cualquier forma y densidad. Se forman a partirde ]as cenizas y de los minerales que componen los combustibles sólidos.

2. Medición de SO2

El dióxido de azufre (S02) en el gas de combusti6n se produce en la combustión decombustibles sulfurosos como el fueloil, carbón o combustibles mixtos. El dióxido deazufre (S02 ) es ligeramente soluble en agua. Si la temperatura del gas de combustión caepor debajo del punto de rocío del valor de agua, existe el riesgo de que se forme ácidosulfúrico a partir del condensado. Estos hollines suben por la chimenea y polucionan elagua residual.

Fig. 9 testo 350 con unidad

preparadora de gases

¡IMPORTANTE!

Debido a que el dióxido de azufre (SO) essoluble en agua, debe utilizarse gases decombustión seco para determinar laconcentración de SO con precisión, ya quede lo contrario el SO, disuelto en loscondensados no se forma en consideración.Por este motivo es por lo que lapreparación del gas debe efectuarsesiempre antes de la medición del dióxidode azufre para secar los gases antes de lamedición actual.



Consejos prácticos

Si se mide a una zona próxima a un filtro electroestático, fa sonda de gases decombustión debe tener toma de tierra debido a la electricidad estática

Si se prevee un alto contenido de particulas V de hollin, deben utilizarse filtrossecos V limpios. Puede utilizarse un filtro preliminar.

Tener cuidado cuando los gases de combusti6n contienen cal (fibrica decemento). Este rodea el SO2 .Utilice un filtro preliminar

NORMATIVA/REGLAMENTO

EMISIÓN

NOx (calculado comoNO2)

CO

mg/kWh ppm

3%O2

mg/m3 3%O2

mg/kWh ppm

3%O2

mg/m3 3%O2

TA-Luft (Edición1986)

Gasóleo, para instalaciones de mas de5 MW

255 121 250 174 136 170

Gas, para Instalaciones de mas de 10MW

200 97 200 100 80 100

DIN.EN 676 (12/96)

Gasóleo hasta 100 kg/h 316 150 308 128 100 125

DIN-EN 676 (12/96) Quemadores automáticos con soplante

Gas natural (2ª familia de gases) 170 82 169 100 80 100

Gas licuado (3ª familia de gases) 230 111 228 100 80 100

DIN 4702, parte 1 (Edición 10/91) Calderas con quemador de pulverización de combustibles líquido o de gas con soplantehasta 2 NW

Gasóleo 260 123 253 110 86 107

2ª familia de gases (gases naturales)

< 350 kW 150 73 150 100 80 100



>350 kW 200 97 200 100 80 100

3ª familia de gases (gases licuados) 300 145 298 120 96 120

Símbolo ecológico "Ángel Azul"**

RAL-UZ 9, quemadores depulverización de combustibles líquidohasta 10 kg/h (120 kW)

120 57 117 60 47 59

RAL-UZ 46, grupos térmicos degasóleo (hasta 120 kW)

110 52 107 60 47 59

RAL-UZ 80, quemadores de gas consoplante (hasta 120 kW)

70 34 70 60 47 59

RAL-UZ 41, grupos térmicos de gas

(hasta 70 kW) 70 34 70 60 47 59RAL-UZ 61, aparatos de gas decondensación (hasta 70 kW)

60 29 60 50 39 49

Valores suizos LRV 92

Gasóleo, quemadores con soplante <350 kW

123 58 120 82 64 80

Gasóleo, quemadores con soplante >350 kW y temperatura del médium

hasta 110ºC

123 58 120 82 64 80

Gasóleo quemadores con soplante >350 kW y temperatura del médium demás de 110ºC

154 73 150 82 64 80

Gas, quemadores con soplante <350kW

80 39 80 100 80 100

Gas, quemadores con soplante > 350kW y temperatura del médium hasta110 ºC

80 39 80 100 80 100

Gas, quemadores con soplante > 350

kW y temperatura del médium de másde 110ºC

110 53 110 100 80 100

Valores de Stuttgart (7/96)

Gas natural y temperatura de médiumhasta 110ºC

80 39 80 60 47 59

Gas natural y temperatura de médium 100 48 100 80



de más de 110ºC 63 79

Gas licuado (cuando no sea posiblegas natural)

150 72 148comogas

natural

Gasóleo, hasta 120 kW NWL 120 57 117 80 62 78

Gasóleo, más de 120 kW NWL 150 71 146 90 70 87

Valores de Hamburgo Programa de promoción de la autoridad medioambiental (2/95)

Instalaciones de gas natural, NWL<50 kW

35 17 35 17 14 17

Instalaciones de gas natural NWL >50 kW

65 31 65 20 16 20

Instalaciones de combustible líquido,NWL < 50 kW 100 47 97 35 27 34

Instalaciones de combustibles líquido,NWL > 50 kW

120 57 117 20 15 19

Programa de promoción de laautoridad constructora (8/96)(Decreto de la ciudad deHamburgo)Solamente viviendas uni ybiramiliares con calderas decondensación de gas

26 13 26 17 14 17

2. Composición del combustible

El combustible está compuesto básicamente por carbono (C) e hidrógeno (H2). Cuandoestas sustancias se queman en aire, se consume oxígeno (O2) . Este proceso se llamaoxidación. Los elementos de la combusti6n del aire y del combustible forman nuevosenlaces.

Aire + Combustible Productos combustión

Oxígeno

Carbón

Dióxido de carbono

Monóxido de carbono

Nitrógeno

Dióxido de azufre

Oxígeno residualHidrógeno Óxidos de nitrógeno NOx



Azufre Vapor de agua

Oxígeno--------------------------------

Nitrógeno

Cenizas Residuo combustible

Vapor deagua Agua Cenizas

Fig. 2: Composición de los gases de combustión del combustible

La combustión del aire está compuesta por oxígeno (O2) , nitrógeno (N2)l una pequeñaproporción de gases residuales y vapor de agua. El aire teórico necesario para unacombustión completa Lmin no es suficiente en la práctica. Para conseguir una combustióncompleta óptima, debe suministrarse más aire que el te6ricamente necesario al generador decalor. La relaci6n entre cantidad actual de aire y el te6ricamente necesario se llama exceso

de aire X (lambda). Lo que se pretende alcanzar es la máxima eficiencia con el menorexceso de aire posible, cuando las proporciones de inquemados y pérdidas por chimeneason mínimas. El siguiente modelo de combustón es ilustrativo:

Combustión ideal

Combustión actual

Combustibles sólidos

Los combustibles só1idos incluyen carbón, carb6n bituminosos, turba, madera y paja. Loscomponentes principales de estos combustibles son: carbono (C), hidrógeno (H2), oxígeno(O2) y pequeñas cantidades de azufre (S) y agua (H20). Los combustibles sólidos sediferencian principalmente por su poder calorífico, siendo el carbón el de mayor poder



calorífico seguido del carbón bituminoso, la turba y la madera. El principal inconvenientede su uso es la gran cantidad de cenizas, partículas sólidas y hollín que generan. Esto obligaa disponer de medios mecánicos para eliminar estos "residuos" (por ej. parrilla deagitación).

Combustibles líquidos

Los combustibles líquidos son derivados del petróleo. Este se trata en refineríasobteniéndose gasoil ligero, medio y pesado. En calderas de calefacción se utilizaprincipalmente gasoil ligero y pesado. El gasoil ligero se utiliza ampliamente en pequeñasplantas de combustión y es id6ntico al fuel. El gasoil pesado debe calentarse previamenteantes de utilizarlo como un fluido. Con el gasoil ligero esto no es necesario.

Combustibles gaseosos

Los combustibles gaseosos son una mezcla de gases combustibles y no combustibles. Los

componentes de gases combustibles son hidrocarburos (ej. metano, butano), monóxido decarbono (CO) e hidrógeno (H2). El principal combustible gaseoso utilizado actualmente encalefacción es el gas natural, cuyo principal componente es el metano (CH4). Una pequeñaproporción de calderas domésticas (10%) utilizan gas ciudad, que comprendeprincipalmente hidrógeno (H2) monóxido de carbono (CO) y metano (CH4). Sin embargo,ej poder calorífico del gas ciudad es solo la mitad del gas natural.

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