Parámetros de un Sistema de Combustión A Tener en Cuenta en una Conversión

PARÁMETROS DE UN SISTEMA DE COMBUSTIÓN A TENER EN CUENTA EN UNA CONVERSIÓN

Por:Andrés A. Amell Arrieta. Ingeniero Mecánico, MSc Economía de la Energía. Docente

Investigador Facultad de Ingeniería, Universidad de Antioquia. E –mail: [email protected]

El objetivo de una instalación industrial es garantizar el suministro confiable y seguro del gas a los diferentes equipos de uso térmico. Por ello en el estudio de una conversión de un equipo térmico a gas natural deben tenerse en cuenta los siguientes parámetros:

Potencia térmica. Potencia útil. Eficiencia o consumo especifico de combustible. Relación aire/combustible. Volumen de humos. Presión de suministro del gas a los equipos. Consumo antes y después de una conversión.

En este documento se presenta el análisis de estos parámetros y se desarrollan ejemplos ilustrativos de su manejo.

Potencia Térmica. Es la cantidad de energía en la unidad de tiempo que entra al sistema de combustión almacenada como energía química en las moléculas de combustible.

La cantidad de energía que entra con el combustible puede definirse en función del volumen o masa de gas, esto es, como poder calorífico volumétrico o poder calorífico másico. De acuerdo a lo anterior la potencia térmica del sistema queda definida por:

P T = Q * x PC* (1)

P T = m x PC M (2)

Donde PT : potencia térmica que entra al sistema con el combustible: kW, Btu/h, kcal/hQ*: caudal de gas consumido expresado en un determinado estado de referencia (normal o estándar)PC*: poder calorífico volumétrico expresado en un determinado estado de referencia (normal o estándar): kWh/m3, kJ/m3, Btu/ft 3, kcal/m3. m: flujo másico de combustible que entra al sistema : kg/h , lbm/h.

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PCM: poder calorífico másico del combustible kWh/ kg , Btu/lbm , KJ/Kg.

El poder calorífico de un combustible define el contenido de energía química disponible en este y depende de su composición química. Para los hidrocarburos, es decir, todos los combustibles que tengan Carbono e Hidrogeno, debido a que durante su combustión, al Hidrogeno reaccionar con el oxigeno se forma agua, se diferencia entre el poder calorífico superior y poder calorífico inferior. La diferencia entre los dos esta dada por el calor latente de vaporización del agua.

Para los combustibles gaseosos la relación entre el PCI al PCS es de aproximadamente 0.9 y para líquidos de 0.95. En la Tabla 1 se presentan los poderes caloríficos de combustibles usados en la industria.

Al definirse la potencia térmica debe precisarse si ella se establece con base al poder calorífico superior o inferior. En muchos equipos industriales y en las máquinas térmicas (motores diesel y turbinas a gas) la potencia se establece con base al poder calorífico inferior, por tanto las expresiones anteriores de potencia son :

PT = Q* x PCI* (3)

PT = m x PCIm (4)

Potencia útil. No toda la potencia térmica disponible en el combustible se transfiere al proceso o se convierte en trabajo útil, debido a la eficiencia de combustión y otros factores, solo una fracción es utilizada. La fracción de potencia térmica que efectivamente se transfiere al proceso o se convierte en trabajo útil, es lo que se denomina potencia útil.

A efectos de determinar la capacidad de un equipo térmico y su consumo respectivo de combustible, es conveniente precisar como se especifica la potencia, veamos:

En las calderas industriales la capacidad esta expresada en términos de la potencia útil y no de la potencia térmica. En general la potencia útil se expresa en bhp, lo cual define la capacidad de una caldera de producir una determinada cantidad de vapor a una presión y temperatura dada. En términos de equivalencia:

1bhp = 9.8 kw = 33447.4 BTU/h



En los hornos Industriales la capacidad esta expresada en términos de la potencia térmica, expresada en kw, BTU/h y Kcal/h, para sus equivalencias se tiene que:

1kW= 3413 Btu/h = 860 kcal/h1kcal/h = 3.97 Btu/h

Eficiencia. En sistema de combustión industrial es conveniente diferenciar entre eficiencia útil o total y eficiencia de combustión.Eficiencia útil. Es la relación entre la potencia útil y la potencia térmica:

(5)

Eficiencia de combustión. En un sistema de combustión no todo el calor liberado puede ser recuperado, debido a los siguientes factores:

- El calor sensible que llevan los gases de combustión al salir del sistema, el cual depende de la temperatura con que ellos salen.

- El calor latente de condensación del agua. Si el sistema de combustión es sin condensación, el calor latente de condensación del agua en los productos no es recuperable.

- Calor latente asociado a los inquemados y productos de la combustión incompleta

Las perdidas de energía relacionadas con los factores anteriores se conocen con el nombre de perdidas en los productos de combustión, por lo tanto la eficiencia de combustión se define como:

(6)

Obsérvese la diferencia entre la eficiencia útil y la eficiencia de combustión, esto es, de la potencia disponible ( PT - perdidas en los productos de combustión ) no toda se transforma en potencial útil, una fracción se pierde por radiación y otros factores.

Una forma gráfica de presentar el balance de energía y las eficiencias descritas es acudir al diagrama de Sankey de un sistema de combustión , para ello distinguiremos entre sistema de combustión con condensación y sistema sin condensación. En la Figura 1 se presentan el diagrama de Sankey para un sistema sin condensación.



En la Figura 2 se muestra el diagrama de Sankey para un sistema de combustión con condensación. Se observa ahora que una fracción de calor latente de vaporización es recuperado como potencia útil.

Figura 1. Sistema de combustión sin condensación

Figura 2: Sistemas de combustión con condensación



De acuerdo a las Figuras 1 y 2 la eficiencia útil y de combustión puede definirse como:

Con base al PCI:

(7)

Con base al PCS:

(8)

Estas eficiencias, teniendo en cuenta la relación entre los poderes caloríficos inferior y superior pueden definirse como:

(9)

Como se ha demostrado en otros trabajos para gases hidrocarburos la relación PCI/PCS es aproximadamente igual a 0.9 , entonces:

(10)

Para efectos de cálculos en sistemas de combustión industrial el rendimiento útil y el de combustión se establecen con base al poder calorífico inferior. En aparatos domésticos el rendimiento se establece con base al poder calorífico superior.

Relación aire - combustible en un sistema de combustión

En un sistema de combustión industrial el análisis de la relación aire combustible es importante por los siguientes razones:

- Su conocimiento permite definir el consumo de aire requerido por el sistema, lo cual en equipos de combustión de aire forzado permite especificar el ventilador y el circuito de aire.

- El control de la relación A/C permite adecuar la potencia del sistema a los requerimientos de proceso. Además, en determinadas aplicaciones industriales su control garantiza la generación de una determinada atmósfera (oxidante, neutra y reductora)

Como expresar la relación A/CGrupo de Ciencia y Tecnología del Gas y Uso Racional de la Energía - Universidad de Antioquia 5 de 15


Existen diferentes formas de expresar esta relación :

- Relación volumétrica: : (11)

Qa: Caudal estándar de aire.Qg: Caudal estándar de gas.

,

- Relación másica: gmamR

: (12)

: Flujo másico de aire.: Flujo másico de gas.

,

- Combinada: (13)

,

Expresión adimensional: Cuando se compare la relación A/C real volumétrica o másica con la A/C estequiométrica, se obtiene una expresión adimensional que recibe diferentes nombres: factor de aireación o factor de equivalencia.

Por relación estequiométrica de aire se entiende la cantidad de aire (en volumen o masa) que requiere un combustible para quemarse completamente y el oxigeno suministrado es usado totalmente. Esta relación es una propiedad de todo combustible y depende de su composición química. En la Tablas 1 se presentan los requerimientos estequiométricos para diferentes combustibles. Por ejemplo si el gas natural tiene 9.52 m3 aire/m3 gas significa que para quemar estequiométricamente un metro cubico de gas se requiere de 9.52 m3 st de aire.

Tabla 1. Propiedades de combustión



COMBUSTIBLE

PropiedadSólido Líquido GaseosoCarbón

PulverizadoACPM

Crudo Castilla

Propano ButanoGas

NaturalP.C.S. MJ/kg MJ/m3(st)

36.6-

45.6-

42.5-

49.493.9

50.2-

38.6Densidad, kg/m3 (st) - 840 976 1.87 2.38 0.72Viscosidad, cSt - 1.4 - - - -Vol. aire, m3 (st) /MJ kg/kWh

0.3231.425

0.2451.081

0.2491.098

0.2531.116

0.2541.12

0.2571.134

V’fo, m3(st) /MJm3(st) /kW.h

0.2380.857

0.2610.94

0.2640.95

0.2740.986

0.2740.986

0.2791.0

Temp. rocío, C 38 50 50 55 54 59Temp. rocío ácida, C Vble 121 154 - - -Relación C/H (masa) 20.4 6.5 7.4 4.8 4.8 3.0Temp. llama teórica 1958 2022 2028 2000 2000 1930% Azufre (% másico) 0.7 - 1.0 0.5 2.9 - - -

Tabla 2. Otras propiedadesCombustible P.C.S. Relación

H/CGrav.

EspecíficaRelación

aire-comb.Relación de viscosidad

Gas Natural PropanoPropano/aireGas de bajo P.C.

1050 Btu/pie3

2550 Btu/pie3

1460 Btu/pie3

150 Btu/pie3

3.872.672.671.2

0.621.551.320.83

1023.8141.2

Fuel-oil #2Fuel-oil #4Fuel-oil #6

141000 Btu/gal146000 Btu/gal150000 Btu/gal

1.761.661.47

0.870.931.0

1410 pie3/gal1460 pie3/gal1500 pie3/gal

0.050.2611.6

Factor de aireación:

Compara la relación A/C)real volumétrica usada en un equipo térmico (horno caldera) con la estequiométrica (Va).

Factor de aireaciòn: (15)

Compara la relación A/Creal másica con la relación estequiométrica másica: maest.



En la literatura europea para manejar la relación A/C es muy frecuente utilizar los factores n y .

Si n=1, Se dice que la combustión es estequiométrica o completa sin exceso de aire.Si n<1, Se dice que la combustión es con defeco de aire.Si n>1, Se dice que la combustión es con exceso de aire.

Factor de equivalencia : Expresa la relación entre C/Areal másica o volumétrica y la relación estequiométrica C/Aest:

(16)

El factor de equivalencia es utilizado frecuentemente en la literatura americana .

Si la cantidad de combustible real es mayor que el estequiométrico se tiene un factor de equivalencia mayor que 1 (n<1), se dice entonces que la mezcla es rica.

Si la cantidad de combustible real es menor que le estequiométrico, se tiene un factor de equivalencia menor que 1 (n>1), se dice entonces que la mezcla es pobre.

Si la cantidad de combustible real es igual al estequiométrico, el factor de equivalencia es igual a uno (n = 1), por tanto se tiene una mezcla estequiométrica

Relación y n

Se puede demostrar que es el inverso de n, entonces:

(17)

Otros parámetros de interés para analizar la relación A/C son los siguientes:

Porcentaje de aire = (18)

Ejemplo: Si un sistema de combustión opera con un factor de aireación de 1.2 , entonces:



- El factor de equivalencia (19)

- Porcentaje de aire = 100 x 1.2 = 120 significa que la combustión se realiza con un 120 % de aire teórico.

Porcentaje de exceso de aire = (n - 1) x 100 = (20)

Para una combustión completa y optima del gas natural el exceso de aire debe oscilar entre un 5 al 20%, para el Fuel Oil entre 20 y 30% y para el carbono entre un 40 y 50%

En el ejemplo anterior es del 20% , significa que existe con exceso de aire del 20%

Defecto de aire = (1- n) x 100 = (21)

Cuando en un sistema de combustión existen un exceso de aire el volumen de humos y % CO2 se afectan así:

Volumen de humos. Se define como el volumen de los productos de combustión en m3

st cuando se quema estequiométricamente 1 m3st.

En condición de combustión estequiométrica y considerando igual cantidad de energía liberada en el horno o caldera, el volumen de humos producidos por los diferentes combustibles es:

Gas natural = 1.11 m3st/kWh GLP = 1.05 m3

st/kWhAceites combustibles = 0.97 m3

st/kWh Gas manufacturado=1.04m3st/kWh

Si bien no existen diferencias significativas entre los diferentes combustibles, en una combustión real con exceso de aire, debido a que los líquidos requieren de mayor exceso, el volumen de humos producidos es mayor, dado que:

Vhumos = Vf + (n - 1) x Va (22)

Vf: volumen de humos estequiométricos del combustible en m3sthumos/m3

stgas, es una propiedad de combustión que depende de la composición química del combustibleVa: volumen estequiométrico de aire del combustible en m3

staire/m3stgas

n: factor de aireación.



El resultado anterior tiene una consecuencia practica importante, si un horno o caldera mantiene la misma potencia térmica cuando se convierte de combustible líquido a gas natural, la chimenea existente queda habilitada para evacuar los humos sin necesidad de ningún ajuste, a no ser que existan circunstancias especiales.

Cuando existe un exceso de aire en un sistema de combustión, otros parámetros y fenómenos que se afectan son:- La temperatura de la llama disminuye con el exceso- Diámetro crítico de enfriamiento, aumenta con el exceso- Velocidad de deflagración, disminuye con el exceso - Transferencia de calor: El coeficiente de transferencia de calor por convección

se incrementa con el exceso. La transferencia de calor por radiación se disminuye con el exceso, debido a que la emisividad del CO2 y H2O se reducen porque su concentración disminuye.

Presión de suministro a los equipos En el diseño de una red industrial tanto para la especificación de la estación de regulación como del dimensionamiento de los tubos, es necesario conocer la presión de servicios en los equipos. Al respecto pueden tipificase las siguientes situaciones:

a) El sistema de combustión esta configurado por quemadores atmosféricos de gas inductor y quemadores con mezcla en el cabezal, se pueden encontrar los siguientes niveles de presión:

Para el circuito de gas:

baja presión : p 100 mbarmedia presión: 100 p 800 mbaralta presión: p > 800 mbar

Para el circuito de aire p 80 mbar.

b) El sistema de combustión esta configurado por quemadores de aire inductor, se pueden encontrar los siguientes niveles de presión.

Circuito de aire: pa 80 mbar

Circuito de gas: p = 0 ó p pa en la admisión del gas al quemador.

Consumo antes y después de una conversión



En el caso colombiano inicialmente la mayoría de aplicaciones de gas natural se harán en equipos convertidos. Por tanto en el diseño de las instalaciones industriales se deberá conocer el consumo de gas natural necesario para seguir satisfaciendo los requerimientos energéticos del proceso después de la sustitución.

Es conveniente desarrollar una metodología que partiendo del conocimiento del consumo de energía primaria y la eficiencia del proceso antes de la sustitución, se puede estimar con alguna aproximación cual es el consumo de gas natural requerido después de la sustitución. Para ello introduciremos los siguientes supuestos que en definitiva resultan razonables.

- El consumo de potencia útil o energía útil permanece constante antes y después de la sustitución, sino existe ampliación de la producción en la planta o variación del proceso

- La potencia térmica del sistema ante de la sustitución es conocido con alguna certeza, ello implica conocer el consumo y poder calorífico inferior del combustible a sustituir.

- Se conoce con cierta aproximación la eficiencia del proceso antes de la sustitución

- Se tiene información acerca de la posible eficiencia que tendrá el proceso después de la sustitución.

Teniendo en cuenta las situaciones anteriores se procederá así:

Análisis antes de la sustitución

La eficiencia del proceso antes de la sustitución, en función de la potencia o energía es:

T

útilútil P

P

T

útilútil E

E , E (25)

Por tanto la potencia o energía útil que el proceso consume es:

Tútilútil EE y Tútilútil PP (26)

Análisis después de la sustitución



La eficiencia del proceso después de la sustitución es :

y (27)

Entonces:

y TDDU PP (28)

Bajo el supuesto de que la potencia y la energía útil no cambian después de la sustitución, entonces se tiene:

(29)

Como: ETD = V D x LHVD y PTD = Q D x LHVD

ETA = V A x LHVA y PTA = Q A x LHVA

DondeVA: volumen del combustible que se consume antes de la sustitución: m3, ft 3,

galónVD: volumen del combustible sustituto: m3, ft 3, galón.QA: caudal del combustible a sustituir: m3

st/h , ft 3st/h , galones/h

QD: caudal del combustible sustituto; m3st/h, ft 3

st/h, galones/h

Entonces los consumos del combustible sustituto quedaran definidos así:

(30)

(31)

Ejemplos:



A continuación se desarrolla el análisis de algunas situaciones relacionadas con los parámetros anteriormente descrito.

Ejemplo 1.

Un horno industrial de 1000 kW de potencia térmica está instalado en Medellín (Patm = 852 mbar y Tambiente = 20 oC), funciona con un factor de aireación de 1.1 (exceso de aire de 10 %) durante 5 horas al día. Determinar:

a) El caudal standard de gas naturalb) El volumen standard de gas natural consumido durante la operación.c) El caudal de gases de combustión si la temperatura a la salida de la chimenea es 250 oC

Si consideramos gas natural de Ballena :

PCS = 10.32 kWh/m3st

PCI = 9.29 kWh/m3st

Va = 9.4 m3(st)/m3

st

V’fo = 10.44 m3st humos /m3

st gas

PT = Q st x PCIst

Qst = 107.64 m3st/h Caudal de gas consumido

El volumen de gas consumido es:

Vst = Qst x t =

Vst = 538.21 m3st

Caudal de gases de combustiónVolumen de humos por m3

st de gas queda definido por:

Vh = Vf’o + (n-1) x Va = 10.44 + (1.1 - 1) x 9.4

Vh =



Caudal de gases de combustión

El caudal de humos a condiciones de Medellín :

A condiciones de Medellín y salida de la chimenea.

Ejemplo 2. Una caldera pirotubular de 30 bhp funciona inicialmente con un ACPM de un

poder calorífico inferior de 138500 Btu/hr con una eficiencia de 80%. Si la conversión a gas natural mejora la eficiencia al 82%, usando gas de Ballena encontrar el caudal de gas requerido en m3st /hr.

Qgas_natural = 38.4 m3st/h.



Es el caudal de gas requerido para garantizar una potencia útil de 30 bhp.

BIBLIOGRAFIA

Gaz de France . Combustibles Gazeux et Principles de la Combustion. Paris 1992.

North American Combustion Handbook. Volumen I. Third Edition .

Amell Andrés y Gil Edison. Herramientas Para el Uso Eficiente del Gas : Diagramas de Eficiencia Térmica . Revista Facultad de Ingeniería, Universidad de Antioquía, No 16 Junio de 1998, paginas 55 - 61.

Julio Astigarraza y Jose Luis Aguirre Ormaza. Hornos Industriales de Inducción. Mc Graw Hill , Madrid 1995 , pg 208.

Enagas. Cogeneración y Gas Natural. Madrid . Septiembre de 1995

Amell Andrés. Centrales Térmicas a Gas. Edición Previa CESET. Facultad de Ingeniería Universidad de Antioquía, 1997.



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