Combustión - Universidad de Buenos Aires

Industrias I
72.02
Combustión
(V. 2/2015)
72.02 – Industrias I
8
Combustión
COMBUSTIÓN ............................................................................................................. 3
8.1
Combustibles de uso industrial ............................................................................... 3
8.1.1 Clasificación de los combustibles ...................................................................... 3
8.2
Poder calorífico de un combustible ........................................................................ 4
8.3
Combustión............................................................................................................. 5
8.3.1 Combustión perfecta ........................................................................................... 5
8.3.2 Combustión completa ......................................................................................... 5
8.3.3 Reacciones de combustión.................................................................................. 6
8.4
Puesta a punto de la combustión ............................................................................ 6
8.4.1 Condiciones que deben cumplirse en los gases de combustión para lograr la
“puesta a punto de la combustión” ................................................................................. 7
8.5
Análisis de los gases de combustión....................................................................... 8
8.5.1 Determinación de los gases ................................................................................ 9
8.6
Diagrama de Ostwald ........................................................................................... 10
8.7
Equipos industriales para quemar combustibles. (Quemadores) .......................... 11
8.7.1 Quemador de combustible líquido.................................................................... 11
8.7.2 Quemador de combustible gaseoso .................................................................. 13
8.7.3 Quemador de combustible sólido ..................................................................... 14
8.8
Selección del quemador ........................................................................................ 16
8.9
Bibliografía ........................................................................................................... 17
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72.02 – Industrias I
Combustión
8 COMBUSTIÓN
8.1 Combustibles de uso industrial
Los combustibles son sustancias que al combinarse con el oxígeno producen un gran
desprendimiento de calor.
En otras palabras, se puede decir que los combustibles son sustancias que al reaccionar con
el oxígeno dan lugar a reacciones exotérmicas.
Las transformaciones básicas de los minerales se hacen utilizando el calor, como agente
físico, en hornos y para ello se requieren lo combustibles.
8.1.1
Clasificación de los combustibles
Existen diversas formas de clasificar los combustibles, seguidamente se desarrollarán tres
de ellas, de acuerdo al estado físico, de acuerdo al origen y de acuerdo a las características
químicas de los mismos.
•
De acuerdo al estado físico se clasifican en:
SÓLIDOS: Carbón de piedra (hulla, antracita, etc.)
Carbón de leña.
Coque (residuo de la destilación del petróleo)
Leña.
LÍQUIDOS: Petróleo y sus productos de destilación (Fuel, Oil, gasoil, etc.).
GASEOSOS: Gas natural.
Gas de gasógeno.
Gas de alto horno.
•
De acuerdo al origen se clasifican en:
NATURALES: Hulla, lignito, antracita, petróleo, gas natural, etc.
ARTIFICIALES: Coque, derivados de petróleo, gas de alto horno, etc.
•
De acuerdo a las características químicas se clasifican en:
ORGÁNICOS: Todos aquellos que contienen carbono en su composición
química, es decir todos los citados en las clasificaciones anteriores.
INORGÁNICOS (o ACCIDENTALES): Los que no tienen carbono en su
composición tales como el hidrógeno, fósforo, silicio, etc. También se
denominan accidentales pues trabajan “por accidente” tal es el caso del fósforo y
silicio que suelen encontrarse como impurezas en el arrabio y trabajan como
combustibles en los convertidores para producir acero.
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Combustión
8.2 Poder calorífico de un combustible
El poder calorífico de un combustible es una característica física del mismo y permite
prever el calor que podemos esperar que nos ceda en un proceso térmico.
Se define como: “La cantidad de calorías que produce un combustible durante la
combustión completa de un kilogramo del mismo”. Se mide en calorías / kg.
Se pueden distinguir dos tipos de poderes caloríficos para cada combustible, el poder
calorífico superior y el inferior. Se diferencian entre sí en que el primero comprende todo el
calor producido, incluyendo el requerido para vaporizar la humedad que contiene el mismo.
El inferior no considera las calorías consumidas para vaporizar la humedad que contiene el
combustible, por consiguiente éste es que el nos da las calorías que realmente son
aprovechables en un proceso térmico.
Seguidamente se indican en el cuadro N° 1, los poderes caloríficos aproximados de
distintos combustibles.
CUADRO N° 1- PODERES CALORÍFICOS APROXIMADOS DE COMBUSTIBLESCOMBUSTIBLE
ANTRACITA
LEÑA
HULLA
COQUE
METANO
SILICIO
FÓSFORO
HIDRÓGENO
FUEL OIL
ESTADO FÍSICO
sólido
sólido
sólido
sólido
gas
sólido
sólido
gas
líquido
PODER CALORÍFICO
(Kcal / kg.)
8.200
4.500
8.500
7.200
13.000
7.800
5.750
34.500
9.600
Conocida la composición química de un combustible resulta posible el cálculo de su poder
calorífico, empleando la expresión determinada por Dulong:
PODER CALORÍFICO = 81 x %C + 288 . (%H - %O / 8) + 22,3 x %S
Donde:
%C: es el porcentaje en peso de Carbono
%H: es el porcentaje en peso de Hidrógeno
%O: es el porcentaje en peso de Oxígeno
%S: es el porcentaje en peso de Azufre
Los valores que se obtienen mediante el uso de la expresión de Dulong son aproximados.
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8.3 Combustión
“La combustión es una reacción química que consiste en la oxidación violenta de un
elemento con desprendimiento de calor y, generalmente, llamas.” Intervienen en la misma
el combustible y el oxígeno como comburente.
Con el objeto de analizar este tipo de reacción es necesario distinguir entre tres distintos
tipos de combustión, la denominada combustión perfecta, la incompleta y la completa.
8.3.1
Combustión perfecta
La combustión perfecta es la que se produce, teóricamente, de acuerdo a cantidades
estequiométricas de combustible y comburente.
Este tipo de reacción sólo se puede lograr en un laboratorio y no se da en la práctica
industrial.
Un ejemplo de reacción perfecta sería el siguiente:
→
CO2 + Q (cal)
C
+ O2
12g C + 32g (O2) →
44g (CO2)
Es decir que reaccionen completamente 12g de carbono con 32g de oxígeno para dar 44g
de dióxido de carbono y desprender calor. Como se ve, en este caso, han reaccionado un
átomo-gramo de carbono con una molécula de oxígeno para dar una molécula-gramo de
dióxido de carbono, ello implicaría que hasta el último átomo de carbono ha reaccionado
con la última molécula de oxígeno para dar una molécula de dióxido de carbono, lo cual es
imposible en las reacciones de combustión industrial.
Combustión incompleta
Se llama así a la reacción en la cual no se quema todo el carbono del combustible dando
dióxido de carbono, sino que reacciona para dar monóxido de carbono y en algunos casos
queda C libre incandescente. Esta última situación se puede visualizar en la llama de color
amarillo de un mechero Bunsen cuando el gas se quema con poco aire.
Un ejemplo de combustión incompleta, se da en la reacción siguiente:
C + ½ O2 →
CO + Q’ (cal)
También esta reacción es exotérmica, pero la cantidad de calor desprendido es menor que
en el caso de la combustión perfecta.
El monóxido de carbono resultante podría entrar nuevamente en combustión y desprender
más calor, según la siguiente reacción:
CO + ½ O2 → CO2 + Q’ (cal)
8.3.2
Combustión completa
La combustión completa es aquella en la cual todo el carbono del combustible reacciona
con el oxígeno del comburente para dar dióxido de carbono. La reacción es similar a la de
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la combustión perfecta, con la diferencia que, para que ocurra, es necesario agregar una
mayor cantidad de oxígeno (con el comburente) que la requerida de acuerdo al cálculo
estequiométrico. Dicha cantidad en exceso (cuando se utiliza aire como comburente), se
denomina “exceso de aire”.
8.3.3
Reacciones de combustión
A continuación se dan ejemplos de reacciones combustión:
•
Carbones (al quemar 1 kg de combustible)
C
C +
O2
+ ½ O2
→
→
CO2 + 8100 Kcal (Reac. COMPLETA)
CO + 2500 Kcal (Reac. INCOMPLETA)
Q = 5600 Kcal
Esto significa que si un combustible reacciona en forma incompleta en una combustión, se
puede perder hasta el 70 % del calor que es capaz de entregar dicho combustible de
reaccionar en forma completa.
• Hidrocarburos (combustibles líquidos y gaseosos)
En general, para un hidrocarburo Cm Hn (donde m y n significan la cantidad de átomos de
carbono e hidrógeno que hay en la molécula de hidrocarburo) la reacción de combustión es
la siguiente:
Cm Hn + (m + ¼ n) O2 →
m CO2 + ½ n H2O + Q (Kcal)
8.4 Puesta a punto de la combustión
La “puesta a punto de la combustión” se realiza en todas las operaciones industriales en las
que tienen lugar procesos térmicos, hornos industriales, calderas, etc.
El objeto de la misma consiste en obtener del combustible utilizado el mejor rendimiento
económico, es decir no desperdiciar el combustible utilizado.
La “puesta a punto de la combustión” es independiente del tipo de proceso realizado en el
horno y de la temperatura requerida, se hace siempre con un objetivo económico, el de no
malgastar combustible.
Ya hemos señalado que en la práctica industrial la combustión perfecta no se puede lograr,
pero sí se puede producir la combustión completa, en la cual todo el carbono del
combustible reacciona a dióxido de carbono con el oxígeno del comburente (generalmente
aire) y entrega todas las calorías que es capaz de entregar. Para que ello ocurra, en la
combustión completa, es necesario agregar una cantidad mayor de comburente (oxígeno)
que el requerido estequiométricamente (teórico), ese exceso es el denominado “exceso de
aire”.
EXCESO DE AIRE (e): es la cantidad de aire en exceso, sobre el estequiométrico,
necesario para producir una combustión completa. Generalmente se mide en porciento en
volumen:
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e (%) = AIRE REAL – AIRE ESTEQUIOMÉTRICO
AIRE ESTEQUIOMÉTRICO
x
100
Ahora bien, para que en un proceso térmico en un horno, un combustible entregue el
máximo de calorías que puede entregar, se debe agregar un exceso de aire, pero si el exceso
de aire es agregado es muy grande, el volumen de gases a calentarse en el horno es también
grande, y por consiguiente la temperatura disminuye. Por esto es necesario llegar a una
solución de compromiso, que consiste en lograr que el combustible entregue todas las
calorías posibles, pero al mismo tiempo que el exceso de aire no sea demasiado grande
como para que disminuya la temperatura en el horno. Para conseguir esto se pone a punto la
combustión.
8.4.1
Condiciones que deben cumplirse en los gases de combustión para lograr la
“puesta a punto de la combustión”
Si quemamos por ejemplo un hidrocarburo (combustible) con aire (comburente), se pueden
producir las reacciones que se detallan a continuación:
SUSTANCIAS REACCIONANTES
PRODUCTOS DE LA REACCIÓN
C
HIDROCARBURO
CO2
H
CO
H2O
O2
AIRE
N2
O2
N2
Como podemos observar, el carbono del combustible puede dar CO2 y CO, el hidrógeno
del combustible da vapor de agua, parte del oxígeno (exceso de aire) pasa como oxígeno
molecular y el gas nitrógeno, que es inerte a las temperaturas de combustión queda igual
una vez producida la reacción.
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Combustión
Para la puesta a punto de la combustión, las condiciones que deben cumplir los gases de
combustión son dos: 1) que el porcentaje de CO tienda a 0 y 2) que el exceso de aire sea
menor o igual al 30 %. Cuando ambas se cumplen, diremos que la combustión está a punto.
CO %
0
e % < 30 %
(donde CO % →
0 significa < 0,5 %)
Seguidamente, a título de ejemplo, se dan datos técnicos de pruebas reales en una planta
piloto, donde se calentó agua en diversas condiciones en una caldera.
Agua calentada (litros/hora)
Aumento temperatura (ºC)
Exceso de aire (%)
Combustible usado (kg/hora)
MALA COMBUSTIÓN
450
17
150
1,815
BUENA COMBUSTIÓN
450
17
30
1,590
Como puede observarse, para igual trabajo térmico, aumentar en 17 ºC, 450 litros/hora de
agua, en el caso de una buena combustión (e % = 30 %) se consumieron 1,590 kg/hora de
combustible, mientras que para un e % = 150 %, se consumió 1,815 kg/hora es decir el 14
% más de combustible.
8.5 Análisis de los gases de combustión
Para analizar los gases de combustión se puede utilizar el aparato de Orsat, el que permite
determinar los porcentajes de CO2, CO, O2 y N2 que contienen dichos gases y
posteriormente, mediante la utilización del diagrama de OSTWALD, que se explica en el
siguiente punto se puede obtener el exceso de aire y determinar si la combustión se
encuentra a punto o no.
El aparato citado (ver figura N º 1) cuenta con una bureta graduada, que generalmente tiene
un volumen de 100 cm3 a efectos de dar resultados en porciento. Dicha bureta está cerrada
en la parte superior por una llave de tres vías, que la conecta con: un tubo capilar, para
conducir los gases hasta tres (o más) vasos (o laboratorios); un tubo por el que penetrarán
los gases a analizar (que se extraen de la chimenea del horno); y un tercer tubo que la
conecta con el exterior.
En la parte inferior la bureta está cerrada por un cierre hidráulico, formado por un tubo
flexible unido a un vaso que contiene agua ligeramente acidulada (para evitar absorber CO2
de los gases de combustión).
La bureta se encuentra rodeada de una camisa refrigerante por la que circula agua de
refrigeración, con el objeto de enfriar los gases a analizar y condensar el vapor de agua de
los mismos, que se incorpora al agua acidulada. La determinación se hace con gases secos
(libres de vapor de agua).
Los vasos o laboratorios contienen soluciones absorbedoras de gases, el primero contiene
una solución de hidróxido de calcio, absorbedor de CO2; el segundo solución de pirogalato
de sodio o potasio, absorbedor de oxígeno y el tercero solución de cloruro cuproso
amoniacal, absorbedor de CO. Cada laboratorio cuenta con una llave de paso.
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8.5.1
Combustión
Determinación de los gases
El primer paso consiste en conectar la llave de tres vías con el exterior y elevar el vaso con
agua acidulada hasta que el nivel de ésta coincida con el enrase superior de la bureta. El
agua acidulada, por el principio de vasos comunicantes, ingresará a la bureta y su nivel
coincidirá con el nivel del agua acidulada en el vaso; así se logran desplazar los gases
existentes en la bureta de determinaciones anteriores.
Luego se conecta la llave de tres vías con el tubo que une a la llave con la toma de
muestras, se baja el vaso (con agua acidulada) hasta hacer coincidir su nivel con el cero de
la bureta, en la parte inferior. Ello provocará un vacío en la bureta que hará ingresar los
gases a analizar. Esta operación se repite 2 ó 3 veces con el objeto de que se vaya
completando el volumen de la bureta con gases (ya que el valor de agua se va enfriando,
licuando e incorporando al agua acidulada). Finalmente se cierra la llave de tres vías y en la
bureta tendremos 100 cm3 de gases secos. Estos gases contendrán CO2, CO, O2 y N2 (ver
3.1). (También podrían contener SO2, si el combustible contiene azufre, para lo cual habría
que agregar un laboratorio más).
Luego se conecta con la llave de tres vías la bureta con el tubo capilar que la conecta con
los tres laboratorios y se abre la llave del primer laboratorio. Se levanta el vaso (que
contiene el agua acidulada) hasta que su nivel coincida con el enrase superior de la bureta,
el agua acidulada desplaza los gases de la bureta que se dirigen al primer laboratorio, donde
es absorbido el CO2. Se baja nuevamente el vaso hasta que el nivel del agua acidulada
coincida con un nuevo enrase en la bureta (ya no será el cero, pues un volumen de CO2 fue
absorbido en el primer laboratorio), se observa a que volumen corresponde (ahora ocupado
en la bureta con agua acidulada) y ese será el contenido de CO2 en los gases. Al tener 100
cm3 la bureta, el valor resultante será en porciento en volumen. Se cierra la llave del primer
laboratorio.
Se procede análogamente con los gases pasándolos en forma sucesiva al segundo y tercer
laboratorio y se determinan los porcentajes de oxígeno y CO. El gas que al final queda sin
absorber será nitrógeno.
La conexión de la bureta y los laboratorios se hace mediante un tubo capilar con el objeto
de evitar errores volumétricos en las determinaciones.
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FIGURA Nº 1
ESQUEMA DE APARATO DE ORSAT.
8.6 Diagrama de Ostwald
Determinados los porcentajes de los distintos gases presentes en la combustión es posible
determinar el exceso de aire (e %) mediante la utilización del diagrama de Ostwald.
Este diagrama vincula, en los gases de combustión los porcentajes correspondientes a CO2,
CO, O2 y exceso de aire.
En la figura N º 2 se da el diagrama de Ostwald para el fuel oil.
FIGURA N º 2
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8.7 Equipos industriales para quemar combustibles. (Quemadores)
Existen en la industria distintos tipos y modelos de quemadores, los mismos tienen dos
objetivos básicos:
• Adaptarse al proceso térmico requerido.
• Obtener una eficiencia máxima en la combustión.
Con el objeto de tener una idea de los mismos sólo se van a explicar, seguidamente, tres
tipos de ellos, un quemador de combustible líquido, uno de combustible gaseoso y otro de
combustible sólido.
8.7.1
Quemador de combustible líquido
Se ha elegido, para su explicación, un quemador de combustibles líquidos de baja presión
tipo HAWCK – VENTURI (Ver figura N º 3).
FIGURA N º 3
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Este quemador cuenta con tres tubos concéntricos. Por el interno circula el combustible
líquido, que proviene de un tanque ligeramente elevado, que le da la presión hidrostática
necesaria para circular. Previamente a ingresar el combustible al tubo interno pasa a través
de una llave reguladora de caudal.
Entre el tubo interno y el intermedio circula una corriente de aire que lo hace describiendo
un movimiento helicoidal, merced a la disposición de la abertura de entrada de aire al tubo.
Esta vena de aire se la denomina aire primario.
Entre el tubo intermedio y el externo circula otra vena de aire que circula en la dirección
del eje del tubo, se la denomina aire secundario.
El aire primario y el secundario son impulsados por un ventilador centrífugo, pasando,
antes de entrar al quemador por una llave mariposa que regula el caudal total de aire
(primario más secundario) que ingresa al quemador y se bifurca en dos corrientes, la del
aire primario y la del secundario.
En la parte posterior del quemador se encuentra una pieza, que trabaja como una tuerca y
que permite regular la relación de aire primario y secundario, para un mismo caudal de aire
total.
El combustible líquido proveniente del tanque pasa por la llave de regulación de caudal y
circula por el tubo interno hasta el extremo del mismo donde encuentra pequeños orificios y
sale en pequeñas gotas. Allí encuentra el aire primario el que circula entre el tubo
intermedio y el interno. En coincidencia con la salida del combustible el tubo intermedio
presenta un estrechamiento, lo que produce en la vena de aire un efecto Venturi
(disminución de presión y aumento de velocidad). Este efecto hace que se expandan las
gotas de combustible líquido (y se atomicen), el movimiento helicoidal del aire permite
establecer una mezcla íntima de combustible - aire primario. Esta mezcla continúa hacia el
extremo del aparato donde se mezcla nuevamente con el aire secundario.
El aire primario y el secundario sirven como comburentes en la combustión que se produce,
pero la principal misión del aire primario es mecánico ya que logra atomizar el combustible
y hacer la mezcla íntima aire - combustible.
La regulación del quemador se hace con la llave mariposa reguladora del caudal total de
aire que circula por el aparato.
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La pieza (especie de tuerca) que se encuentra en la parte posterior del aparato puede regular
la relación aire primario - aire secundario y con ello la longitud de la llama. La tuerca, se
puede suponer vinculada al tubo más externo, y según se gire hacia uno u otro lado hace
alejar la punta del tubo externo del intermedio o acercarla; con ello se logra que se agrande
o achique la sección de salida del aire secundario. Cuando se agranda el aire total ingresado
al quemador se derivará más al secundario y cuando se achica se derivará más al primario.
Así se regula la relación aire primario - secundario y la longitud de la llama.
8.7.2
Quemador de combustible gaseoso
El ejemplo más simple quemador de combustible gaseoso y que todos conocemos es el
mechero BUNSEN que se usa en Química.
Un quemador de combustibles gaseosos del tipo industrial es similar (ver figura N º 4)
FIGURA N º 4
Consta de un tubo, una llave de gas, inyector y orificios regulables para la entrada de aire.
En este quemador el aire no cumple funciones de atomizar o mezclar íntimamente el aire combustible ya que los gases forman en cualquier proporción siempre soluciones (sistemas
homogéneos).
El tubo en su extremo cuenta con una boquilla, unida al tubo mediante bridas. Esta boquilla
es fácilmente intercambiable, cuando se deteriora por el calor de la llama.
El gas combustible penetra al tubo y pasa a través de la llave con la que se puede regular el
caudal, luego pasa por el inyector y al salir de éste encuentra al aire que ingresa
perpendicularmente al eje del tubo y se mezcla con el combustible. La solución gas – aire
circula por el tubo hasta la boquilla del quemador donde se produce la llama.
Este quemador debe proporcionar el máximo contacto gas-aire, mantener una ignición
continua, darle dirección y estabilidad a la llama y permitir una amplia variación del flujo
de la mezcla.
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72.02 – Industrias I
8.7.3
Combustión
Quemador de combustible sólido
El quemador de combustible sólido se basa en utilizar carbón pulverizado a tamaños
menores o iguales a 0,1 mm, los que son impulsados al quemador en suspensión por una
corriente de aire (aire primario) a una velocidad que se encuentra entre 10 y 20 metros por
segundo. Para la preparación del combustible se necesitan operaciones previas de molido,
cribado y secado
El aire secundario es soplado y enviado al quemador por conducto separado y se mezcla
con la suspensión aire - combustible al ingresar al quemador, donde se produce la llama
(ver figura N º 5).
FIGURA N º5
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Combustión
8.8 Selección del quemador
La selección de un quemador para una operación determinada es de suma importancia para
la óptima eficiencia del proceso.
El quemador es parte integral del diseño y sus características son fijadas en base a las
necesidades de producción y distribución de calor.
Las características principales a estudiar en su selección son:
Requeridas por el proceso térmico:
•
•
•
•
Cantidad de calor y nivel de temperatura.
Forma y radiación de llama.
Grado de variabilidad de las condiciones térmicas.
Atmósfera controlada.
Relacionadas con el combustible:
•
•
•
Composición del combustible, materias volátiles, contaminantes e inertes del
combustible.
Corrosión.
Eliminación de cenizas y escorias.
Generales del equipo:
•
•
•
•
•
•
•
•
Carga específica de trabajo.
Eficiencia.
Necesidades de energía y de fluidos auxiliares.
Temperatura máxima de admisión del aire de combustión.
Capacidad de adaptarse a las variaciones de demanda. Sistemas de regulación.
Intercambiabilidad de combustibles.
Facilidad de encendido y de mantenimiento.
Dispositivos de seguridad.
•
Emisión de ruidos.
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8.9 Bibliografía
•
Revista Shell “Combustibles”, 2010.
• Comisión Nacional para el Ahorro de Energía
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