PROPIEDADES DE PROPIEDADES DE LOS LOS
COMBUSTIBLESCOMBUSTIBLES
Instituto Energía, Materiales y Medio Ambiente
Universidad Pontificia Bolivariana
Clasificación combustiblesClasificación combustibles Por su estado:
Sólidos: carbón, residuos agrícolas (bagazo, cascarilla de arroz), residuos sólidos urbanos (RSU)
Líquidos: petróleo, gasolinas, diesel, alcohol Gaseosos: gas natural, GLP (Gas licuado de
petróleo), hidrogeno
Por encuentran o no en la naturaleza Naturales: Se encuentran directamente en la
naturaleza. ejm: carbón, petróleo, gas natural, leña , pastos.
Artificiales o secundarios: Son productos del procesamiento de los combustibles naturales. ejm: coque, gas combustible (CO,H2), metanol, bio-diesel, bio-etanol, derivados del petróleo.
Por su capacidad de renovación Renovables: Obtenidos a partir de Biomasa:
residuos, leña , pastos, gas combustible (CO,H2), metanol, bio-diesel, bio-etanol
No renovables: combustibles fósiles y sus derivados
Existen propiedades físicas y químicas que afectan la combustión y procedimientos asociados: Rendimiento energético Emisión de contaminantes Almacenamiento y transporte
COMBUSTIBLES COMBUSTIBLES
SÓLIDOSSÓLIDOS
Propiedades QuímicasComposición: Indica cuales son los compuestos o elementos que conforman el combustible. Análisis Próximo y ElementalReactividad: Índice de la velocidad con la cual se consume el combustible durante la combustión
Análisis Próximo o Inmediato: indica la cantidad de humedad, material volátil, carbono fijo y cenizas, adicional al poder calorífico superior
Humedad: Hum. Residual + Hum. Superficial Humedad Residual: Se determina mediante
calentamiento a 110 C durante 1 hora Humedad Superficial: Se determina mediante secado
con aire a Temperatura 10 o 15 C por encima del ambiente, hasta que el peso no varie mas de 0.1% en una hora
El contenido de agua Intrínseca: Inherente en la materia orgánica Extrínseca: Debida a las condiciones climáticas
Método de análisis de humedad residual y humedad superficial
Material volátil Materia volátil: gases que se liberan por el
calentamiento de combustible sólido (calentar 950°C,7 minutos en atmósfera inerte) . Compuesto por H2, CO2, CO, CH4,,Benceno
Alto contenido volátiles. Fácil encendido pero bajo poder calorífico
Alto carbono fijo: mayor poder calorífico
Método de análisis de material volátil
CenizasMaterial mineral no combustible, su proporción depende del tipo de explotación de carbón en la minaSe determina mediante combustión completa de 1 gr de muestra (malla 60) a 750 C
Método de análisis de cenizas
Cenizas Temperatura de fusión de cenizas: indica la
temperatura a la cual las cenizas se funden (formación de costras, afecta transferencia de calor)
Composición de las cenizas: contenido de metales o sustancias toxicas (v.g. Cadmio, Plomo, Mercurio)
Componentes de las cenizas
Volatilidad de compuestos presentes en la ceniza
Mas volátil
Menos volátil
Biomasa: mayores contenidos en cenizas con Na y K que el carbón, mas problemas de incrustaciones y corrosión en procesos termoquímicos (combustión y gasificación).
Índice de álcalis: kg de Óxidos K,Na/Poder calorífico Menor contenido de S, NO tiene Hg, As, Pb
Carbono fijo Material que queda (menos la ceniza)
después de la salida de la humedad y volátilesAlto contenido volátiles. Fácil encendido pero
bajo poder caloríficoAlto carbono fijo: mayor poder calorífico
%CF= 100-%Hum. Total-%Ceniza-%Mat. volatil
Poder calorífico: cantidad de energía que se libera en la combustión total. Puede ser reportada en dos formas: Poder calorífico superior: considera agua
liquida en los productos de combustión (Bomba calorimétrica)
Poder calorífico inferior: considera agua vapor en los productos de combustión
Método de análisis Poder calorífico
Clasificación ASTM de los carbones
Análisis Elemental Proporciona información
acerca del contenido de cada elemento que compone el combustible, tales como carbono, hidrógeno, oxígeno, azufre y nitrógeno; se utiliza para calcular los requerimientos de aire para la combustión
Efecto contenido de N sobre emisiones de NO
Composición promedio de carbones en Colombia
Fuente: U.S. Department of Energy. Benchmarking biomass gasification technologies for fuels, chemicals and hydrogen production. 2002.
Composición típica de algunas biomasas y carbones
Reactividad: Determinación de la Pérdida masa vs. tiempo
ASUNTO DE LOS ING. QUIMICOS
Diseño del reactor !!!!
Propiedades FísicasDensidadGranulometríaÍndice de moliendaÍndice de Hinchamiento
Densidad a granel: relación masa/volumen. Importante para: Costos de transporte Costos de almacenamiento Sistemas de alimentación a reactoresEn Biomasa MUY IMPORTANTE Densificación : más materia menos
volumen. Pelletización, Chips, Briquetas. Mas investigación reducir costos
densificación
Granulometría: Distribución del tamaño de partículas
Con base en ésta se determina el tamaño promedio del combustible que se usa.
Tabla equivalencia de mallas en diferentes sistemas
Quemador Tipo de carbón Granulometría
[pulgadas]
Generación de vapor
[lb/hr]
Retorta simple Bituminosos y antracitas 1 – 1 ½
5000 - 50000
Retorta múltiple No aglomerante 2 40000 - 300000
Parrilla de carga
transversal
Todo tipo excepto
aglomerante bituminoso
1 10000 - 300000
Parrilla de carga
superior
Todo tipo de carbón ¼ - 1 ½ 10000 - 300000
Cada quemador requiere diferente granulometría
Pulverizado: 80% menor que malla 200, 96.5% menor que malla 100 y 99.5 menor que malla 50
Fluidizado: Lecho burbujeante 1 mm, Circulante 0.1-0.3 mm
Índice de molienda:El índice de molienda Hardgrove caracteriza el trabajo que se necesita para llevar una muestra de un carbón a una granulometría fina, indica la facilidad con la cual el carbón puede ser pulverizado.
Carbón mas duro Menor valor índice
Carbones de bajo rango como el lignito menos duros y carbones de alto rango como la antracita mas duros.
CLAVE en selección de equipos de molienda y pulverización
Índice de Hinchamiento: establece la capacidad de coquización de un carbón (capacidad de aglomeración)Varía entre 0 y 9,
0-3 no coquizables o térmicos >3 coquizables
Método cualitativo por comparación. Calentamiento a 820°C de 1 gr muestra
malla 60, en crisol Se compara la forma del botón con
estándares de formas que tienen equivalencia en numero de índice.
Importante en determinar el uso del carbón: térmico (combustión, gasificación) coquizable (coque)
COMBUSTIBLES COMBUSTIBLES
LIQUIDOSLIQUIDOS
Los combustibles líquidos provenientes de tres fuentes: Petróleo: Keroseno (fuel 1), Fuel o
combustoleos, Jet-fuel, gasolinas.... Biomasa
Extracción mecánica: Biodiesel Fermentación: Bioetanol Termoquímicos: Líquidos Fischer Tropsch
Carbón: Líquidos Fischer Tropsch
Propiedades QuímicasComposición: Indica cuales son los compuestos o elementos que conforman el combustible. Análisis Próximo: humedad, material volátil,
carbono fijo y cenizas, adicional al poder calorífico superior
Análisis Elemental: carbono, hidrógeno, oxígeno, azufre y nitrógeno
Composición promedio de Combustibles líquidos
Agua: El agua en petróleos y derivados puede resultar peligrosa, además de restar eficiencia en el proceso mismo de la combustión. Combustibles para caldera (Crudos, Fuel Oil) que tengan cantidades considerables de aguas pueden causar que se presenten explosiones dentro de la caldera (por desplazamiento de vapores)
Corrosión por lámina de cobre: cubre la detección de la corrosividad al cobre por parte del petróleo y sus productos. Los compuestos de sulfuro que permanecen en los productos del petróleo pueden tener acción corrosiva sobre varios metales. El efecto puede variar de acuerdo al tipo químico de los compuestos de sulfuro presentes.
Propiedad critica para los lugares de almacenamiento del combustible
Propiedades FísicasDensidadViscosidadPunto de FluidezPunto de inflamaciónResistividad eléctrica
Conductividad térmicaPresión de vapor
Densidad API- Gravedad API: American Petroleum Institute
Gravedad API = (141,5/Grav.Esp. a 60 °F) - 131,5 (Agua = 10 grados API)
Mayor grado API = Menor densidad
Crudo liviano es definido como el que tiene gravedades API mayores a 31,1 °API
Crudo mediano es aquel que tiene gravedades API entre 22,3 y 31,1 °API.
Crudo Pesado es definido como aquel que tiene gravedades API entre 10 y 22,3 °API.
Crudos extrapesados son aquellos que tienen gravedades API menores a 10 ° API
Viscosidad medida de su fricción interna, o sea de su resistencia a fluir. IMPORTANTE flujo en tuberías y en atomización Varía con la temperatura
Punto de fluidez: temperatura mas baja a la cual la muestra pierde su capacidad de flujo o ya no puede verterse. En los combustibles de calderas, si el rango de temperatura desde donde se almacena el combustible hasta las boquillas en la caldera es muy bajo, esté puede dejar de fluir en algún punto y como consecuencia se detiene la operación Fuel 6: punto fluidez 46°C
Presión de vapor: Índice de volatilidad del combustible Si la presión de vapor es demasiado alta, el exceso de gases dentro de la bomba de combustible y en las tuberías reduce y hasta interrumpe el flujo de combustible, lo cual causa “burbujas de gas” que causan explosiones repentinas.
Limites de inflamabilidad: Limite inferior (LEL): menor porcentaje en
volumen de vapores de combustible en el aire capaz de sostener combustión
Limite superior (VEL): máximo porcentaje en volumen de vapores de combustible en el aire capaz de sostener combustiónGasolina: 1.4-7.4 %vDiesel:0.5-5.0 %vH2:4-75%v †† Mas amplio limite
Resistividad eléctrica: indica la tendencia a la presencia de cargas electrostáticas
Resistividad> 2x109 Ωm Posibilidad de generar cargas durante bombeoGasolina: 2x1012 ΩmDiesel: 3x1010 Ωm Se reduce riesgos de carga reduciendo la velocidad del fluido
Mínima energía de ignición: mínima energía requerida para la ignición de una mezcla optima aire-combustiblePara la mayoría de hidrocarburos y alcoholes es del orden de 0.2MJUbicar puestas a tierra para evitar acumulación de cargas
Características Crudo de Rubiales
COMBUSTIBLES COMBUSTIBLES
GASEOSOSGASEOSOS
Los combustibles gaseosos pueden provenir de: Pozos de gas libre o asociado Petróleo: Gas licuado de petróleo Biomasa y Carbón: gasificación: gas rico en H2
y CO
Propiedades QuímicasComposición: se expresa en términos de porcentaje en volumen.Determinado mediante cromatografía , análisis infrarrojo u otros métodos.
Poder calorífico: con calorímetro de gas o a partir del ΔHrxn de combustión de cada uno de los componentes del gas. Usualmente se expresa en Energía /volumen
Índice de Wobbe (W): relación entre poder calorífico superior y densidad relativa al aire del gas (d)
Índice para clasificación internacional de los gases combustibles ( Posibilidad de intercambio de gases en quemador)
PCSW
d
Clasificación de los gases según índice de Wobbe
Densidad relativa y PCS de algunos gases combustibles
Composición Gases naturales en Colombia