L A R CLatin American Research CenterLatin American Research Center

COMBUSTIONCOMBUSTION

© 2004

Ing. Juan Tuñon Morales

Ing. Johnny Nahui Ortiz, Ph.D.

larcperu@terra.com.pe

PROCESO DE LA COMBUSTION• El proceso de la combustión implica la oxidación

de los componentes en el combustible capaces de ser oxidados y puede, por lo tanto, ser representados por una ecuación química.

• Reactivos ProductoC + O2 CO2

Un mol de carbono reacciona con un mol de oxigeno para formar un mol de dióxido de carbono

12 Kgm C + 32 Kgm O2 = 44 Kgm CO2

En los procesos de combustión puede haber varios productos intermedios formados durante la reacción.

Sea un combustible C Kg de carbono y H2 Kg de hidrógeno

Para la combustión de 12 Kg de carbono se necesitan 22.4 m3 de oxígeno; para C Kg de carbono se necesitarán:

22.4 x (C/12)=1.87 x C m3 de O2

Para la combustión de 2 kg de hidrógeno, se necesitan 11.2 m3 de oxígeno; para H2 Kg de hidrógeno se necesitarán:

11.2 x (H2/2) = 5.6 x H2 m3 de O2

Para la combustión de 1 kg de combustible, el oxígeno mínimo necesario estequiométrico será: 1.87C+5.6H2 m3

El aire mínimo necesario: Am = 100/21= 4.76 O2

El aire estequiométrico por kg de combustible:8.9C+26.67H2

Ejm: para un combustible 88% C y 12% N. El aire estequiométrico necesario será:

Am = 8.9 (0.88) +26.67(0.12) = 11.03 m3 de aire

Postulado 1: Todos los combustibles industriales son lo mismo: combinaciones Hidrógeno-Carbono.En su concepción más simple, la combustión puede definirse como la acción de arder o quemarse de cualquier forma de materia combustible, por efecto de la reacción de sus componentes con el oxígeno, formando nuevos compuestos y liberando energía en forma de luz y calor.

TEORIA INORGANICA DE LA COMBUSTION INDUSTRAL

TEORIA INORGANICA DE LA COMBUSTION INDUSTRIAL

Postulado 2 Todos los combustibles industriales se queman en la misma forma. El carbono e hidrógeno contenidos en cualquier combustible sólido, líquido o gaseoso, sea cual fuere la forma química en que se encuentren combinados, se disociarán a su forma elemental antes de reaccionar con el oxígeno disponible.

Postulado 3: La partícula elemental de carbono representa el núcleo básico de la combustión industrial:. La proporción de carbón respecto al hidrógeno en los combustibles es siempre sensiblemente mayor. La proporción en peso del carbono en todos los combustibles industriales varía entre 75 y 100%.. La combustión del hidrógeno es prácticamente instantánea en cualquier condición, mientras que el tiempo de reacción de la partícula de carbón puede ser de varios segundos, efectuándose en 2 etapas: combustión heterogénea sólido a gas desprendiendo CO y la de éste con el O2 para completar el CO2

Postulado 4: Las partículas de carbón siempre combustionan en forma elemental y heterogéneaPuntos de fusión y sublimación del carbono: 3600 y 4200 ºC (no se alcanza en procesos industriales).La reacción se inicia en la superficie de la partícula al ponerse en contacto los átomos de carbono y las moléculas de oxígeno, generalmente contenido en el aire, que actúa como comburente y se alcanzan las condiciones mínimas para desencadenar la reacciónA temperatura ambiente, el carbón en contacto con el aire ya se encuentra reaccionando y liberando calor, aunque en forma imperceptible debido a la escasa cinética de la reacción.

Los parámetros quel permiten caracterizar la partícula de carbón en cuanto a su comportamiento durante el proceso de combustión son los siguientes:a) Tamaño de la partícula, expresado como diámetro promedio en micras, resulta determinante de la velocidad de reacción y liberación de calor.b) Porosidad: influencia la velocidad de reacción al incrementar la superficie de contacto para calentamiento y reacción heterogéneac) Contenido de volátiles, los volátiles influencian la velocidad de calentamiento de la partícula y por tanto la cinética de la reacción heteogénea.d) Reactividad: depende de las características superficiales de la partícula.

Combustión orgánica, combustión de los alimentos que ingieren los seres vivientes para generar la energía vital.Combustión inorgánica (industrial) permite generar y disponer de la energía química almacenada a través de los siglos en los combustibles fósiles, para procesos de transformación de la materia y la propia energía.Estas dos formas de combustión establecen diferencias fundamentales en la práctica en cuanto a los niveles térmicos y la forma en que se realizan en la práctica, mientras que la energía de los alimentos la manejamos en calorías, en el otro en millones de kilocalorías.

Respecto a la forma en que se realiza la combustión, la diferencia fundamental la representa la ignición. En la combustión industrial la ignición de la mezcla combustible resulta imprescindible para iniciar y sostener la llama. En la combustión orgánica no podría producirse ignición ni llama, por lo cual la naturaleza ha dispuesto otra forma de reacción apropiada.Las plantas aboserben agua por la raíz y anhidrido carbónico por las hojas, utilizando la energía absorbida por la reacción solar a través de la fotosíntesis, rompen la molécula de agua combinandose el hidrógeno con el CO2 para formar los carbohidratos, proteínas, glúcidos, etc., que

constituyen los alimentos; el oxígeno se libera a la atmósfera.Al ingerir los alimentos, en los seres vivientes se digieren y preparan para invertir la reacción, combinandose con el oxígeno transportado por la sangre, para mantener el ciclo vital. La vinculación de combustión industrial con la combustión inorgánica se inicia al producirse la conversión de las plantas y organismos vivos en yacimientos de recursos combustibles que deshidratados y desgasificados a través de los siglos han llegado a constituir los combustibles utilizados industrialmente aprovechando el alto poder calorífico concentrado.

ESQUEMADE LA COMBUSTION INDUSTRIALa) Proporción correcta aire-combustible - Diseño del quemador con márgenes para regulación de cantidades de aire y combustible. - Combustión completa con exceso aire mínimo - La eficiencia de combustión se determinará por el análisis de los gases de combustión.b) Mezcla adecuada aire combustible - Las condiciones de mezcla depende del diseño del quemador. Esta debe ser uniforme y permanente para cada punto de regulación. Y lograr el máximo contacto superficial entre el oxígeno y combustible, ya sea por pulverización, atomización, vaporización.

c) Ignición inicial y sostenida de la mezcla - Se requiere aporte de calor de una fuente externa - Resulta necesario aplicar mucho calor a un área localizada para acelerar la reacción. - La mezcla se encenderá sólo al alcanzar su temperatura mínima de ignición, variable para cada combustible. - Al producir las reacciones de combustión más calor del que se pierde a los alrededores, se mantendrá la combustión sin necesidad de la fuente externaEl cumplimiento de estos 3 requerimientos permite: - Lograr el máximo aprovechamiento del Pc del combustible utlizado. - Aportar el calor requerido con el menor consumo

TIPOS DE COMBUSTION: El objetivo fundamental de la combustión es el de conseguir la oxidación total del carbono y del hidrógeno para formar dióxido de carbono (CO2) y agua (H2O) con lo cual se produce la máxima energía en forma de calor y se evita efectos contaminantes.En función de la calidad de sus productos:. Combustión perfecta (estequiométrica). Combustión completa (con exceso de aire). Combustión incompleta (con defecto de aire). Combustión imperfecta (pseudocombustión)

COMBUSTION PERFECTA ESTEQUIOMETRICA:

Se consigue mezclando y quemando las cantidades exactamente requeridas de combustible y oxígeno, los cuales se queman en forma completa y perfecta, limitada por condiciones físicas y químicas, ya que sólo en teoría podemos hablar de reacciones pefectamente estequiométricas.

COMBUSTION COMPLETA ESTEQUIOMETRICA

CALOR UTIL

COMBUSTIBLE

C + H + S

AIRE

ESTEQUIOMETRICO

PERDIDAS DE CALOR

PRODUCTOS CO2 H2 SO2 N2

TODO EL

OXIGENO

USADO

TODO EL COMBUSTIBLE QUEMADO

COMBUSTION COMPLETA CON EXCESO DE AIRE:

Sin presencia de monóxido de carbono en los humos de chimenea, es necesario emplear la proporción de oxígeno superior a la teórica con:. Disminución de la temperatura máxima posible al aumentar la cantidad de gases en la combustión.. Variación sensible en cuanto a la concentración de los óxidos formados respecto al nitrógeno

COMBUSTION COMPLETA CON EXCESO DE AIRE

CALOR UTIL

COMBUSTIBLE

C + H + S

AIREESTEQUIOMETRICO

PERDIDAS DE CALOR

PRODUCTOS CO2 H2O SO2

SO3

N2 O2

TODO EL

OXIGENO

USADO

TODO EL COMBUSTIBLE QUEMADO

O2 + N2

EXCESO DE AIRE

COMBUSTION INCOMPLETA CON DEFECTO DE AIRE:

Cuando el oxígeno presente en la combustión no alcanza el valor teórico necesario para la formación de CO2, H2O y SO2 la combustión es necesariamente incompleta, apareciendo en los gases de combustión el monóxido de carbono, hidrógeno y partículas sólidas de carbono, azufre o sulfuros.Un 1% de CO en los gases produce una pérdida 4% del poder calorífico del combustible.

COMBUSTION INCOMPLETA CON DEFECTO DE AIRE

CALOR UTIL

COMBUSTIBLE

C + H + S

PERDIDAS DE CALOR

PRODUCTOS

CO2 CO H2O O2

c

SO2

Hidroc

TODO EL

OXIGENO

USADO

COMBUSTIBLE INQUEMADO

½ O2 + N2

AIRE INSUFICIENTE

COMBUSTION IMPERFECTA

O seudocombustión oxidante cuando pese a existir exceso de aire, no se completan las reacciones de combustión, apareciendo en los humos de chimenea productos de combustión incompleta, tales como inquemados, residuos de combustibles sin oxidar, partículas sólidas, etc. Debido a:. Elevada carga térmica del hogar. La escasa turbulencia. La falta de uniformidad de pulverización. El enfriamiento de la llama. El alto porcentaje de carbono en los combustibles

COMBUSTION IMPERFECTA CON EXCESO DE AIRE

CALOR UTIL

COMBUSTIBLE

C + H + S

AIREESTEQUIOMETRICO

PERDIDAS DE CALOR

PRODUCTOS CO2 H2O SO2

SO3

N2 O2

EXCESO DE

OXIGENO

COMBUSTIBLE INQUEMADOO2 + N2

EXCESO DE AIRE

TIPOS COMBUSTION, POR LA FORMA a) Reacción homogénea Gas-Gas. Sólo nos interesan las reacciones que se producen entre el Hidrógeno y el CO del combustible con el oxígeno del aire. Llama apariencia azuladab) Reacción Heterogénea Sólido-GasEs la que se produce en el entorno de la partícula de carbono para formación de CO y subsecuente combustión con el oxígeno para formar O2. Los factores determinantes de la velocidad de reacción dependerán del tamaño de la partícula y la disponibilidad de oxígeno en su entorno.

PLANTA DE ASFALTO DE BITUMEN S.A.

ANALISIS TERMICO

INSTRUMENTOS UTILIZADOS: ANALIZADOR PORTATIL DE

GASES MEDIDOR DE TEMPERATURA

INFRAROJO MEDIDOR DE TEMPERATURA DE

CONTACTO MEDIDOR DE HUMEDAD MEDIDOR DE FLUJO PITTOT

CALDERA DE ACEITETERMICO

RESULTADOS DE GASES DE COMBUSTION

PARAMETRO VALOR REC.Nro. DE MEDICIONES 1 2TIPO DE COMBUSTIBLE D2 D2O2 (%) 8.7 8.8 3.5 MAX.CO2 (%) 9.7 9.5 12.9 MINCO (%) 98 72 100 MAX.TEMPERATURA DEL GAS 474 442 220 MAXINDICE DE BACHARACH 4 4 2EFICIENCIA DE COMBUSTION 75.8 77.2 82 - 83

MEDICION

HORNO ROTATIVO

RESULTADOS DE GASES DE COMBUSTION

PARAMETRO MEDICION VALOR REC.Nro. DE MEDICIONES 1TIPO DE COMBUSTIBLE PI 6O2 (%) 17.2 3.0 MAX.CO2 (%) 2.9 11.8 MINCO (%) 673 50 MAX.TEMPERATURA DEL GASINDICE DE BACHARACHEFICIENCIA DE COMBUSTION 77.3 82

MEJORAS PROPUESTAS CALDERA DE ACEITE TERMICO MEJORANDO LA EFICIENCIA DE LA COMBUSTION SE OBTENDRIA UN AHORRO DE US$ 3905.

HORNO ROTATIVO MEJORANDO LA EFICIENCIA DE LA COMBUSTION SE OBTENDRIA UN AHORRO DE US$ 3010.

MEJORAS PROPUESTAS TANQUE DE ALMACENAMIENTO RESIDUAL 6 DISMINUIR LA TEMPERATURA DE CALENTAMIENTO DE 120 C A 60 C PARA OBTENER UN

AHORRO DE US$ 3010.

AISLAMIENTO TERMICO MEJORANDO E INSTALANDO AISLAMIENTO TERMICO SE OBTIENE UN AHORRO DE US$ 3520.

MEJORAS PROPUESTAS

ANALISIS ECONOMICO

DESCRIPCION INVERSION (US$) AHORRO (US$) PAY BACK (US$) % RETORNO INV.

MEJORA EN LA COMBUSTION DE LA CALDERA 4392,0 3905,0 1 AÑO 8 MESES 52,30

MEJORA EN LA COMBUSTION DEL HORNO ROTATIVO 7312,0 6130,0 2 AÑO 1 MESES 62,50

MEJORA EN LA TEMPERATURA DE CALENTAMIENTO R6 2300,0 3010,0 1 AÑO 3 MESES 112,00

MEJORA EN LA INSTALACION Y CAMBIO DE AISLAMIENTO 700,0 4576,0 3 MESES 592,00

TOTAL AHORROS 14704,0 17621,0 1 AÑO 1 MES 92,5