combustibles - U

COMBUSTIBLES
1.
Introducción
La forma más habitual de producir calor es mediante una reacción exotérmica de un
combustible con oxígeno (reacción de oxidación). La reacción se produce de forma rápida y con
llama en la mayoría de casos. La llama se debe a las altas temperaturas que ocasiona el desprendimiento de calor, el cual produce la incandescencia de los productos de la reacción. El aporte del
oxígeno necesario para la combustión se puede llevar a cabo directamente con oxígeno puro, con aire
atmosférico que tiene un 21 % en volumen de oxígeno, o bien con aire enriquecido con oxígeno. Un
combustible puede arder mediante reacciones de oxidación empleando otros oxidantes, como el cloro,
el flúor u otros. No obstante, si no se especifica otra cosa, cuando nos referimos a la combustión se
sobrentiende que ésta es con oxígeno.
2.
Clasificación de los combustibles
Hay muchos tipos de combustibles, aunque muchos de ellos no tengan aplicabilidad
industrial. Los combustibles utilizados en la industria generalmente son los llamados fósiles, en tanto
que su origen procede de antiguas formas vegetales o animales. El llamado combustible nuclear
(uranio, plutonio, etc..) que se utiliza en los reactores nucleares, no es un combustible en el sentido
que lo hemos definido, puesto que las reacciones que producen calor en el reactor son nucleares. Los
combustibles se clasifican en sólidos, líquidos y gaseosos; es una clasificación muy antigua que sigue
siendo útil. La tabla 1 facilita su clasificación general y principales características.
3.
Propiedades de los combustibles
3.1.
Propiedades generales
Es evidente que las propiedades de los combustibles dependen de la clase de combustible.
Los gaseosos, líquidos o sólidos tendrán propiedades específicas que habrá que considerar de forma
separada. Sin embargo, todos ellos poseen una propiedad general común: el poder calorífico. Más
adelante estudiaremos con más detalle este concepto. Aquí, baste indicar que, genéricamente, el poder
calorífico es la energía desprendida por una unidad de combustible en su combustión. Esta energía
pasa a los gases de la combustión, también llamados humos, que contienen los productos de la
combustión, entre ellos el vapor de agua.
A1 utilizar los productos de la combustión, es decir, los humos, como agentes para el
aprovechamiento del calor, en realidad lo que se está haciendo es usar su entalpía. Durante estos
procesos, los humos se enfrían y, por tanto, su entalpía disminuye. En algunas aplicaciones, este
enfriamiento puede llegar a provocar la condensación del vapor de agua presente en los productos de
la combustión, lo cual implica una cesión de calor adicional que se suma a la energía inicialmente
cedida por el combustible. Así se distinguen dos clases de poder calorífico: el poder calorífico
inferior, que es el propio del combustible y se designa por las siglas PCI, y el poder calorífico
superior, que es el del combustible aumentado con el calor latente de condensación del agua de los
humos y que se designa por PCS.
Tabla 1
Sólidos:
carbones
Líquidos:
derivados del
petróleo
Gaseosos
Antracita: 80 % de C
como mínimo
Es el carbón con más alto contenido en carbono y
menor contenido en volátiles.
Semiantracita: 75 % de
C como mínimo
Es una antracita más pobre en carbono.
Carbones bituminosos:
entra el 65 y el 40 %
de C
Tienen un contenido en sustancias volátiles
superior a las antracitas, pero menos contenido en
carbono.
Carbones
subbituminosos: entre el
35 y el 40 % de C
Pueden tener el mismo contenido en sustancias
volátiles que los bituminosos, pero tienen menos
contenido en carbono.
Lignito: 30 % de C
Es una clase de carbón con menos contenido en
carbono que los anteriores; en general, tiene menor
contenido también en sustancias volátiles que los
subbituminosos.
Es el combustible utilizado en automoción en
motores de explosión (MEP). Comprende la gama
de hidrocarburos entre C4 C10. Hay diferentes
tipos según el índice de octano.
Gasolina
Turbocombustibles
Es la denominación genérica de un conjunto de
gasolinas de elevado índice de octano que se
utilizan en los motores de aviación. Comprende la
gama de hidrocarburos entre el C10 y el C14
Gasóleo
Comprende la gama de hidrocarburos entre el C14 y
el C20. Existen las variedades A, B y C . El A se
utiliza en los motores Diesel (MEC); el B, para
usos agrícolas y el C, en instalaciones térmicas
domésticas e industriales.
Fuel oil
Es el combustible típico de los grandes motores
Diesel lentos y de las centrales térmicas. Existen
las clases 1 y 2. La clase 1 tiene una viscosidad
menor y un menor contenido en azufre.
Comprende los gases manufacturados; el más
representativo es el gas ciudad. Su uso es cada vez
más restringido.
1ª familia
2ª familia
Comprende el gas natural y cualquier mezcla de
gases (principalmente aire propanado o butanado)
con propiedades análogas al gas natural. El gas
natural es de origen fósil y se encuentra en la
naturaleza en grandes bolsas de las que ha de ser
extraído. Se distinguen diferentes clases según su
procedencia: gas de Argelia, gas del Mar del Norte,
gas de Siberia, etc.
3ª familia
Comprende los gases licuados del petróleo, los
GLPs: propano, propano metalúrgico y butano. Su
principal característica es que se pueden almacenar
en fase líquida con relativa facilidad.
Genéricamente, el poder calorífico se mide en kJ/kg o en kJ/Nm3 en los gases combustibles.
Conviene saber que, en los combustibles sólidos y líquidos, el poder calorífico puede referirse a la
unidad de masa de combustible bruto, seco, neto seco y neto húmedo, con el siguiente significado:
• Bruto, es el combustible tal cual llega al almacén.
• Seco, es el combustible sin el agua molecular que hubiera podido absorber.
• Neto seco, es el combustible sin cenizas y seco.
• Neto húmedo, es el combustible sin cenizas y húmedo.
El poder calorífico de un combustible se puede determinar mediante fórmulas empíricas que
puede encontrarse en [1 y 2].
El poder calorífico del carbón oscila entre 30.000 a 35.000 kJ/kg en una antracita, y entre
15.000 a 18.000 kJ/kg en un lignito. Los combustibles líquidos tienen un poder calorífico próximo a
40.000 kJ/kg. Los combustibles gaseosos de la 2ª y 3ª familia también tienen un poder calorífico que
varía entre 45.000 a 50.000 kJ/kg.
3.2.
Propiedades específicas de los combustibles sólidos
Sin entrar a fondo en la compleja y rica temática del estudio del carbón, indicaremos
someramente que la composición de un carbón es fundamental para establecer sus propiedades, así
como su densidad, y su contenido en azufre y en materias volátiles. La composición se puede dar
según se efectúe el análisis del carbón. Así, se distinguen el análisis inmediato, que consiste en dar la
composición en carbono fijo, sustancias volátiles, humedad y cenizas, y el análisis elemental, que
trata de dar las fracciones másicas en carbono, hidrógeno, azufre, oxígeno y nitrógeno, con el agua
molecular y las cenizas aparte. La tabla 2 facilita la composición de una semiantracita típica en ambas
modalidades.
Tabla 2
3.3.
Propiedades específicas de los combustibles líquidos
Las propiedades más características de los combustibles líquidos son:
• Densidad: se facilita, generalmente, a 15 °C. Por ejemplo, la densidad típica de una gasolina es 749
kg/m3. De forma aproximada, se puede utilizar la ecuación:
kg / m3   250 9,13.mC / mH
siendo mC y mH las fracciones másicas de carbono e hidrógeno, respectivamente.
La densidad de un combustible líquido se mide frecuentemente en grados API (°API). La
relación entre la densidad API y la densidad SI es:
 API 
141.500
 SI
 131,5
• Viscosidad cinemática: generalmente se determina a 37,8 °C. Por ejemplo, la de un gasóleo varía
entre 4,5 y 5,5 cSt.
• Transparencia, brillo y color: estas propiedades se establecen mediante ensayos regulados por
normas específicas.
• Corrosión: el ensayo se lleva a cabo midiendo el tiempo que tarda el combustible en atacar una tira
de cobre o plata o también mediante ensayos regulados por normas específicas.
• Punto de inflamación: se mide en °C. Representa la temperatura mínima que requiere el
combustible para arder en presencia de aire atmosférico.
• Índice de cetano (gasóleo) e índice de octano (gasolinas): hacen referencia a la calidad de la
combustión de un gasóleo (correcto adelanto del encendido) y de una gasolina (resistencia a la
detonación).
• Contenido en azufre, plomo y residuos: como su nombre indica, esta propiedad simplemente
determina el contenido del combustible en estos elementos, importantes por su efecto sobre la
contaminación ambiental.
3.4. Propiedades específicas de los combustibles gaseosos
• Densidad relativa: además de la densidad absoluta, en los combustibles gaseosos se utiliza la
densidad relativa o cociente entre la densidad absoluta y la densidad del aire:
r 

a
Si la composición de un gas de n componentes se da mediante fracciones molares xi, la densidad
relativa del gas es:
i n
 r    ri .xi
i 1
• Límites de inflamabilidad: esta propiedad establece las proporciones de gas y aire necesarias para
que se produzca la combustión mediante un límite inferior y un límite superior. La tabla 3
proporciona los límites de inflamabilidad de algunos gases. Para más información, puede consultarse
[1 y 2]. Cuando se trata de una mezcla de gases, se utiliza la ecuación de Le Chatelier-Coward:
L
1
in
 L .x
i 1
i
i
siendo Li el límite de inflamabilidad de cada componente de la mezcla. La ecuación anterior se aplica
tanto para determinar el límite inferior como el superior.
Tabla 3
• Punto de inflamación: para que se produzca la reacción de combustión, se ha de alcanzar una
temperatura mínima denominada «punto de inflamación». La tabla 4 proporciona puntos de
inflamación en aire y oxígeno de algunos gases.
Tabla 4
• Intercambiabilidad de los gases: los gases combustibles, en general, no se pueden intercambiar en
los quemadores. El quemador de un horno, de una mufla o de cualquier cámara de combustión regula
la relación aire/combustible, así como la velocidad de salida del gas, para que la combustión se lleve a
cabo satisfactoriamente.
Una combustión insatisfactoria, puede presentar los siguientes problemas:
• Retorno de llama. La velocidad de salida del gas es inferior a la velocidad de propagación
de la llama. Así, ésta puede retroceder con el consiguiente peligro de calentamiento de zonas que no
están preparadas para la combustión.
• Desprendimiento de llama. La velocidad de salida del gas es superior a la velocidad de
propagación de la llama. Ésta se aleja del quemador y, por tanto, se puede producir en un lugar no
deseado.
• Combustión no completa. Es consecuencia de que se aporta menos aire del necesario para
una combustión completa. A1 margen de que la combustión tenga propiedades diferentes, pues es una
combustión reductora, se produce monóxido de carbono, un gas letal, aun respirado en pequeñas
proporciones. Tal como establece la normativa vigente, se considera una combustión no completa
cuando los gases contienen más de 0,1% de monóxido de carbono.
Las condiciones satisfactorias de una combustión se muestran en un diagrama que utiliza
como ejes el índice de Wobbe(W) y el potencial de combustión(C). La zona geométrica de éste en la
cual no se haya desprendimiento de llama, retorno de llama y combustión incompleta será la zona de
funcionamiento satisfactorio. En la figura 1 se muestra de forma cualitativa un diagrama de esta
forma. Es evidente que la construcción de un diagrama de este tipo es experimental y corresponde a
un grupo determinado de quemadores.
Figura 1
Dos gases son intercambiables cuando tienen el mismo potencial de combustión y el mismo
índice de Wobbe. El índice de Wobbe (W) es:
W
PCS
 r1 / 2
siendo PCS el poder calorífico superior del gas y ρr, su densidad relativa. El potencial de combustión
es un índice de naturaleza empírica relacionado con la velocidad de combustión del gas. Se expresa
de forma diferente [1] para las distintas familias de gases. Cuando un gas puede ser sustituido por otro
en un quemador, sin ninguna clase de ajuste, se dice que ambos gases son intercambiables.
Puede construirse un gráfico general que corresponde a una gama amplia de quemadores,
donde aparece la zona de funcionamiento satisfactorio correspondiente a las tres familias de gases
(figura 2). Este diagrama puede ayudar a decidir la intercambiabilidad de dos gases o mezclas.
Figura 2
Bibliografía
[1] MIRANDA, A. L. y OLIVER, R.: La combustión. Grupo Editorial CEAC, Barcelona, 1996.
[2] LORENZO BECCO, J. L.: Los GLP. Los gases licuados del petróleo, Repsol-Butano, Madrid,
1990.
[3] MOLINA, A.L. y MOLINA, G.: Manual de Eficiencia Energética Térmica en la Industria.
CADEM, Bilbao, 1993.
[4] LLORENS, M. y MIRANDA A.L.: Ingeniería Térmica. Grupo Editorial CEAC, Barcelona, 1999.