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PROF. ING. GREGORIO BERMÚEZ
Definición de Combustión:
La combustión es un conjunto de reacciones de oxidación con
desprendimiento de calor, que se Producen entre dos elementos:
el COMBUSTIBLE, que puede ser un sólido (Carbón, Madera, etc.),
un líquido ( Gasóleo, Fuel-Oil, etc.) o un gas (Natural, Propano, etc.) y el
COMBURENTE oxigeno.
COMBUSTIÓN EN UNA CALDERA
La combustión se distingue de otros procesos de oxidación lenta, por ser
un proceso de oxidación rápida y con presencia de llama; a su vez también
se diferencia de otros procesos de oxidación muy rápida (detonaciones,
deflagraciones y explosiones) por obtenerse el mantenimiento de una
llama estable.
COMBUSTIÓN EN UNA CALDERA
 Para que la combustión tenga lugar han
de coexistir tres factores: Combustible,
Comburente y Energía de activación.
 El comburente universal es el oxígeno,
por lo Que en la práctica se utiliza el aire
como Comburente, ya que está compuesto,
Prácticamente, por 21% Oxígeno (O2) y
79% Nitrógeno (N2);
PROCESO BASICO DE COMBUSTIÓN
es una forma especial de oxidación en que el oxígeno del aire se combina con elementos
combustibles, que generalmente son carbono, hidrógeno y en menor medida azufre.
Importante para los estudiosos de combustión son la termodinámica química y la cinética
de la llama y velocidad de las reacciones. Se necesita una mezcla adecuada de combustible y
aire, así como una temperatura de ignición para que el proceso de combustión continúe. El
combustible debe prepararse de forma que se haga posible dicho proceso a través de la
mezcla de combustible y aire. El término inflamabilidad se utiliza para describir la
capacidad de quemarse, o realmente su habilidad para convertirse en gas de forma que la
combustión pueda tener.
REACCIONES QUIMICAS EN EL
PROCESO DE COMBUSTIÓN
 Es
necesaria una adecuada proporción entre
combustible y oxígeno (o aire) con los elementos
combustibles.
 La mezcla de combustible y oxígeno (o aire) debe
llevarse a cabo de modo que una mezcla uniforme
esté presente en la zona de combustión y así cada
partícula de combustible tenga aire alrededor para
ayudar en la combustión. Los combustibles sólidos
normalmente se convertirán primero en gas por el
calor y la presencia de aire. Los combustibles
líquidos se vaporizan a gas y después arden. La
atomización de los líquidos incrementa su mezcla
con aire y la vaporización a gas. La pulverización del
carbón tendrá el mismo efecto.
 La temperatura de ignición se establecerá y será
monitorizada de forma que el combustible continúe
su ignición sin calor externo cuando la combustión
arranque.
ELEMENTOS DE LA COMBUSTIÓN
 Los elementos fundamentales que producen calor en los
combustibles son el carbono, el hidrógeno y sus
compuestos. Siempre son el carbono, el hidrógeno o el
azufre lo que producen las reacciones químicas caloríficas
al combinarse con el oxígeno.
COMBUSTIÓN EN UNA CALDERA
Si no se suministra suficiente aire u oxígeno, la
mezcla es rica en combustible; así que la llama se
reduce, con una llama resultante que tiende a ser
larga y con humo. La combustión tampoco es
completa, y los gases (producto de la combustión)
Tendrán combustión no quemado, como partículas
de carbono o monóxido de carbono en vez de dióxido
de carbono. Se desarrollará menos calor por el
proceso de combustión. Si se suministra demasiado
oxígeno o aire, la mezcla y la combustión son pobres,
dando lugar a una llama más corta y más limpia o
clara. El exceso de aire se lleva algo del calor
desprendido en el hogar y lo traslada al exterior por
la chimenea. La combustión debería efectuarse
siempre con exceso de aire para asegurar que todo el
combustible se genera correctamente y así obtener el
mejor rendimiento del desprendimiento de calor.
Esto también deduce la formación de humo y
depósito de hollín.
CONTINUACION DE LA COMBUSTION EN UNA
CALDERA
Cuando los gases de combustión salen por la chimenea
como humo negro, es indicio de insuficiente aire.
Demasiado aire, formalmente produce un denso humo
blanco. Un humo transparente, ligeramente gris,
saliendo de una chimenea, es signo de una relación
razonablemente buena aire/combustible. Por supuesto,
un análisis más exacto se hace con un analizador de
gases, como el aparato de Orsat. A partir de este análisis,
puede determinarse el porcentaje bien de exceso o de
insuficiencia de aire.
ESTEQUIOMETRIA DE LA COMBUSTIÓN
Las consideraciones siguientes se refieren al uso de aire como comburente, ya que
es el utilizado en la práctica totalidad de las instalaciones de calderas. La
estequiometria de la combustión se ocupa de las relaciones másicas y volumétricas
entre reactivos y productos. Los aspectos a determinar son principalmente:
-Aire necesario para la combustión
- Productos de la combustión y su composición
TIPOS DE COMBUSTIÓN
 COMBUSTION COMPLETA:
Conduce a la oxidación total de todos los elementos que constituyen el combustible.
En el caso de hidrocarburos: Carbono CO2,Hidrogeno H2O,Azufre SO2,Nitrógeno N2
y el Oxigeno Participará como oxidante. El Nitrógeno se considera como masa inerte,
si bien a las altas temperaturas de los humos pueden formarse óxidos de nitrógeno en
pequeñas proporciones (del orden de 0,01%).
 COMBUSTION INCOMPLETA
Los componentes del combustible no se oxidan totalmente por lo que aparecen los
denominados inquemados, los mas importantes son CO y H2; otros posibles
inquemados son carbono, restos de combustible.
 COMBUSTION ESTEQUIOMETRICA
Es la Combustión Completa realizada con la cantidad estricta de oxígeno; es decir, el
aire empleado en la combustión es el mínimo necesario para contener la cantidad de
oxígeno correspondiente a la oxidación completa de todos los componentes del
combustible.
PARÁMETRO DE LA COMBUSTIÓN
 PODER COMBURÍVORO:
Es la cantidad de aire seco, medida en condiciones normales (Tª =0°C y P=1atm),
mínima necesaria para la combustión completa y estequiometria de la unidad de
combustible.
Unidades habituales: Nm3/kg Combustible, Nm3/Nm3Combustible.
Es un parámetro característico únicamente de la composición del combustible y
puede tabularse con facilidad.
 PODER FUMIGENO:
Es la cantidad de productos de la combustión (Nm3) que se producen en la combustión
estequiometria de la unidad de combustible. En función de considerar o no el vapor de
agua existente en los productos de la combustión, se
tienen Poderes Fumígenos Húmedo y Seco, respectivamente.
CONTINUACIÓN DE PARAMETROS DE LA
COMBUSTIÓN
 COEFICIENTE DE EXCESO DE AIRE.
La mayor parte de las combustiones no transcurren en
estas
condiciones
ideales
(completa
y
estequiométrica), el principal aspecto a considerar
será la posibilidad de que la combustión transcurra
con exceso o defecto de aire, para caracterizar la
proporción de oxigeno ,se define el parámetro
“coeficiente de exceso de aire”:
n = volumen aire por unidad de combustible / Poder
Comburívoro
n = 1 : Combustión Estequiométrica
n < 1 : Defecto de aire, se dice que la mezcla es rica.
n > 1 : Exceso de aire, se dice que la mezcla es pobre
CONTINUACIÓN DE COMBUSTIÓN
la combustión puede ser clasificada en:
 COMBUSTION CON DEFECTO DE AIRE:
La cantidad de aire utilizada no contiene el oxígeno necesario para oxidar
completamente alos componentes del combustible.
CxHy + n2 (O2 + N2) CO2 + CO + H2 + H2O + 0,79 n2 N2 + Calor (Q1)
Además de los productos normales de la combustión, Dióxido de carbono (CO2) y
Agua
(H2O), se producen inquemados como el Monóxido de Carbono (CO) e Hidrógeno
(H2); en algunos casos con mucho defecto de aire puede haber incluso carbono y
combustible sinquemar, en los humos.
El calor producido es inferior al de la combustión completa (Q1 Q).
 COMBUSTION CON EXCESO DE AIRE:
En este caso la cantidad de aire aportada es superior a la correspondiente a la
combustión estequiométrica; la combustión en estas condiciones puede ser :
 COMPLETA
Su expresión es: CxHy + n1 (O2 + N2) x CO2 + (y/2) H2O + 0,21 (n1 - n) O2 + 0,79 n1
N2 + Calor (Q)0,21 n1 x + y/4
Al emplearse más aire que el estrictamente necesario, en los humos se da la
presencia de oxígeno. El calor generado (Q) es el correspondiente a la combustión
completa.
 INCOMPLETA
La cantidad de aire utilizada es superior a la correspondiente a la combustión
estequiométrica, pero a pesar de ello, debido fundamentalmente a que no se ha
logrado una buena mezcla entre el combustible y el aire, los componentes del
combustible no se oxidan totalmente. CxHy + n1 (O2 + N2) CO2 + CO + H2 + H2O
+ O2 + 0,79 n1 N2 + Calor (Q2)
Respecto a la combustión incompleta con defecto de aire, en los productos de la
combustión también se tiene oxígeno; en casos extremos en los humos puede haber
carbono y combustible sin quemar.
 RELACION AIRE/COMBUSTIBLE Y EL FACTOR DE EXCESOS DE AIRE.
Se define como aire teórico o aire mínimo a la cantidad exacta de aire necesaria para
que, durante la combustión, se convierta todo el carbono en anhídrido carbónico y
todo el hidrógeno en agua. La relación entre el peso de aire y el de combustible de esa
mezcla recibe el nombre de relación aire/combustible.