La combustión Comburentes COMBURENTE

24/11/2014
La combustión
El término de combustión engloba al conjunto de fenómenos que tienen
lugar cuando una especie combustible se combina parcialmente o en su
totalidad con otra especie llamada comburente, produciendo calor.
En un estudio general, no se busca ni conocer ni comprender el
mecanismo interno de la combustión, sino que a partir del conocimiento
TIPOS DE COMBUSTION
de las características del combustible y de las cantidades de este y de
comburente que reaccionan, calcular la cantidad y composición de los
productos de combustión, balances térmicos, etc ...
E. TORRELLA
Comburentes
2
COMBURENTE
En cuanto al oxígeno como comburente, lo
Se conoce como comburente a una especie química capaz de
más común es utilizar el oxígeno contenido
oxidar un combustible, en la practica industrial el comburente es el
Composición del aire (comburente)
en el aire. A los efectos de la combustión se
oxigeno presente en el aire, sin embargo, una pequeña parte del
supone el aire formado solamente por
oxigeno necesario para la combustión puede ser obtenido del que
oxígeno y nitrógeno.
forma parte del propio combustible.
Composición en peso: 23.2% O2 y 76.8% N2
El aire sobreoxigenado y el oxigeno puro pueden ser utilizados
Composición en volumen: 21% O2 y 79% N2
como comburentes, pero este tipo de sustancias se usan sólo en
Relación moles N2/moles O2 = 79/21 = 3.76
% en volumen
% en peso
Real
Uso
Real
Uso
Nitrógeno
78,03
79
75,45
76,8
Oxígeno
20,99
21
23,20
23,2
Argón
0,94
0
1,30
0
CO2
0,03
0
0,05
0
Otros
0,01
0
~0
0
28,967
29
PM
[kg/kmol]
raras ocasiones.
E. TORRELLA
3
E. TORRELLA
4
1
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Combustión. Reacción química
Una reacción química se produce cuando hay una modificación en la identidad química de las sustancias
Masa de Reactivos = Masa de Productos
intervinientes; esto significa que no es posible identificar a las mismas sustancias antes y después de producirse la
reacción química, los reactivos se consumen para dar lugar a los productos.
A escala microscópica una reacción química se produce por la colisión de las partículas que intervienen ya sean
moléculas átomos o iones,
moléculas,
iones aunque puede producirse también por el choque de algunos átomos o moléculas con
Humos
otros tipos de partículas, tales como electrones o fotones. Este choque provoca que las uniones que existían
Aire; 79% N2 + 21% O2
previamente entre los átomos se rompan y se facilite que se formen nuevas uniones. Es decir que, a escala
atómica, es un reordenamiento de los enlaces entre los átomos que intervienen. Este reordenamiento se produce
por desplazamientos de electrones: unos enlaces se rompen y otros se forman, sin embargo los átomos implicados
no desaparecen, ni se crean nuevos átomos. Esto es lo que se conoce como ley de conservación de la masa, e
Combustible
implica los dos principios siguientes:
 El número total de átomos antes y después de la reacción química no cambia.
Cenizas, materia inerte
 El número de átomos de cada tipo es igual antes y después de la reacción.
E. TORRELLA
CO2
N2
O2
H2O
NOx
SO2
Inquemados: CO; H2; C
5
Ecuación química
E. TORRELLA
La combustión
Una ecuación química es una representación escrita de una reacción química. Se basa en el uso de símbolos químicos que identifican
La combustión es una reacción química exotérmica de oxidación-reducción entre dos o más sustancias en la que se
a los átomos que intervienen y como se encuentran agrupados antes y después de la reacción. Cada grupo de átomos se encuentra
produce una ruptura de los enlaces de las moléculas de los reactivos y los átomos y electrones se reagrupan para formar
separado por símbolos (+) y representa a las moléculas que participan, cuenta además con una serie de números que indican la
los productos. Se trata de una oxidación rápida de los elementos reactivos del combustible produciéndose una liberalización
cantidad de átomos de cada tipo que las forman y la cantidad de moléculas que intervienen, y con una flecha que indica la situación
rápida de la energía, manifestándose en forma de llama.
inicial y la final de la reacción. Así por ejemplo en la reacción:
Implica la presencia de un combustible (elemento que se oxida), de un comburente (elemento oxidante) y calor.
O2 + 2 H2  2 H2O
Para que la reacción comience es necesario un aporte energético inicial y que se mantengan ciertas condiciones para que
Tenemos los grupos de átomos (moléculas) siguientes: O2, H2, H2O
sea una reacción auto-sostenible.
Los subíndices indican la atomicidad, es decir la cantidad de átomos de cada tipo que forman cada agrupación de átomos (molécula).
Es decir que necesitamos:
Así el primer grupo arriba representado, indica a una molécula que está formada por 2 átomos de oxígeno, el segundo a dos
moléculas formadas por 2 átomos de hidrógeno, y el tercero representa a un grupo de dos moléculas formadas por 2 átomos de
 Una chispa o un pequeño arco eléctrico o una llama de baja intensidad, para comenzar el proceso.
hidrógeno y uno de oxígeno, es decir dos moléculas de agua.
 Que el combustible y el comburente tengan el contacto más íntimo posible.
Se dice que una ecuación química se encuentra ajustada, equilibrada o balanceada cuando respeta la ley de conservación de la
 Que el recinto donde se lleva a cabo la combustión (hogar) se mantenga a una temperatura apropiada durante todo el
proceso.
materia, según la cual la cantidad de átomos de cada elemento debe ser igual del lado de los reactivos (antes de la flecha) y en lado
 Que se mantengan dentro del recinto el tiempo suficiente para que reaccionen todas las partículas de combustible.
de los productos de la reacción (después de la flecha).
E. TORRELLA
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7
E. TORRELLA
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Estequiometría
Relaciones
estequiométricas
En química, la estequiometría (del griego στοιχειον,
stoicheion, 'elemento' y μετρον, métrón, 'medida')
En peso(1)
es el cálculo de las relaciones cuantitativas entre los
reactivos y productos en el transcurso de una reacción
química.
LA COMBUSTIÓN NEUTRA
El primero que enunció los principios de la
estequiometría fue Jeremias Benjamin Richter (1762-
O ESTEQUIOMÉTRICA
1807), en 1792, quien describió la estequiometría de la
siguiente manera: «La estequiometría es la ciencia que
Reacción
En volumen(2)
O2
aire
O2
aire
C
C + 0.5 O2  CO
1.33
5.75
(3)
(3)
C
C + O2  CO2
2.66
11.51
((3))
((3))
H2
H2 + 0.5 O2  H2O
7.94
34.3
0.50
2.39
CH4
CH4 + 2 O2  CO2 + 2 H2O
3.99
17.24
2.00
9.57
C2H6
C2H6 + 3.5 O2  2 CO2 + 3
H2O
3.72
16.07
3.50
16.75
mide las proporciones cuantitativas o relaciones de
C3H8
C3H8 + 5 O2  3 CO2 + 4 H2O
3.63
15.68
5.00
23.95
masa de los elementos químicos que están implicados
C4H10
C4H10 + 6.5 O2  4 CO2 + 5
H2O
3.58
15.46
6.50
31.14
en una reacción química.».
S
S + O2  SO2
1.00
4.32
(3)
(3)
(1) Kg comburente/kg combustible
(2) m3 comburente/m3 combustible
(3) El combustible en estado sólido
E. TORRELLA
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Combustión perfecta, neutra o
estequiométrica
E. TORRELLA
10
Mol y Volumen molar
La combustión perfecta o estequiométrica ocurre cuando las moléculas del combustible reaccionan
“El mol se define como la cantidad de materia cuya masa en gramos es
con las moléculas de oxígeno y no hay moléculas de combustible sin quemar ni moléculas de oxígeno
sin reaccionar.
idéntica a la masa molecular relativa expresada en unidades de masa
El aire contiene no solo el O2 necesario ppara la combustión,, sino también aproximadamente
p
un 79 %
atómica.”
de N2 y otros gases inertes que absorben calor. Estas moléculas del aire y otras tales como SO2, CO2,
“El volumen ocupado por un mol de gas se conoce como volumen
agua y NOx formados en el proceso de combustión transportan energía calorífica fuera de la
chimenea. Energía desperdiciada.
molar. En condiciones idénticas de presión y temperatura el volumen
Por lo tanto, cualquier cantidad de aire que exceda a la requerida para la combustión produce un
molar toma un valor aproximadamente constante para todos los gases”.
incremento en la pérdida de calor y requiere combustible adicional para compensar esta pérdida de
calor. Es deseable funcionar en ese punto. Por obvios ahorros en los costos de combustible.
E. TORRELLA
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E. TORRELLA
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3
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Volumen molar
La estequiometría se ocupa de las relaciones másicas entre las sustancias
Un mol de cualquier gas ideal en condiciones normales (101.325 Pa y 273,15K) ocupa un volumen de:
reaccionantes o reactivos y los productos generados. Conocida la
composición de un combustible y basándonos en la estequiometría
P V  n  R T
podremos dar respuesta a preguntas como:

Masa y volumen de aire mínimo necesario para realizar la
combustión

Masa y volumen de los productos de la combustión

Composición de los gases de combustión
Con R = 8,314472 m3·Pa/K·mol
El ratio entre el volumen molar y el peso molecular nos da el volumen específico en unas condiciones
(P,T) determinadas (Con el volumen específico, podremos conocer la masa de una sustancia que
Leyes
 Ley de conservación de la masa (Ley de Lavoisier). La masa total
de las sustancias que reaccionan (reactivos) es igual a la masa
total de las sustancias resultantes (productos). 1 mol de metano (18
gr) se combinan con 2 moles de oxígeno (64 gr) , [en total 72 gr]
para formar 1 mol de dióxido de carbono (46 gr) y 2 moles de agua
(36 gr) [en total 72 gr]
 Ley de la composición constante o definida (Ley de Proust).
Cuando dos o más elementos, o compuestos reaccionan para
formar un mismo compuesto lo hacen siempre en una proporción
en peso fija.
 Ley de los volúmenes de combinación (Ley de Gay-Lussac). Los
volúmenes, medidos en las mismas condiciones, de las sustancias
que interviene en una reacción química están en una relación de
números enteros y sencillos. 1 l de metano se combina con 2 litros
de oxígeno para formar 1 litro de dióxido de carbono y 2 litros de
agua.
 Ley de Avogadro. Un mismo número de moléculas de cualquier gas
ideal ocupa siempre el mismo volumen, en idénticas condiciones.
E. TORRELLA
3
3
R  T 8,314472  273,15
 Vn

 0,02241 Nm mol  22, 4 Nm kmol  22, 4 l mol
P
101.325
contiene un volumen determinado):
 Nm 3 

22, 4 
3
 kmol   Nm ó l 
 kg   kg g 
PM 

kmol


Nm3/kg
0,7
0,5091
1,244
0,35
0,8
Si conocemos el volumen en condiciones normales (VN, Nm3), podemos determinar su equivalente en
otras condiciones de P (Pa) y T (K), mediante la siguiente relación:
13
Combustión neutra (estequiométrica)
Características de un combustible
E. TORRELLA
101.325  VN P ' V '

T'
273,15
 V '  370,95 
VN  T '
P'
14
Combustión neutra (estequiométrica)
Características de un combustible
 El carbono total VCO2; Volumen de CO2 producido durante la combustión completa de la unidad de masa o de
volumen del combustible.
El aire teórico de combustión Va
1


Va  VCO 2  VSO 2  VH 2O  VO 2  / 0,21
2


 El azufre total VSO2; Volumen de SO2 producido durante la combustión completa de la unidad de masa o volumen de
combustible.
el paréntesis de la expresión anterior representa la cantidad de oxígeno necesaria para la
 El hidrógeno total VH20; Volumen de vapor de agua producido por la combustión completa de la unidad de masa o
volumen de combustible.
combustión
estequiométrica, y el factor 0,21 es el porcentaje de oxigeno presente en el aire comburente.
 El oxigeno total V02; Volumen de oxigeno libre o combinado contenido en la unidad de masa o volumen de
combustible.
El volumen de humos neutros secos ó poder fumígeno Vo
 El nitrógeno total VN2; Volumen de nitrógeno contenido en la unidad de masa o volumen de combustible.
Vo = VCO2 + VSO2 + VN2 + 0,79 Va
 El aire teórico de combustión Va ó poder comburívoro; Volumen de aire necesario y exactamente el suficiente para
producir la combustión completa de la unidad de masa o volumen del combustible considerado.
el factor 0,79 es el porcentaje de nitrógeno presente en el aire comburente.
 El volumen de humos neutros secos ó poder fumígeno Vo; Volumen seco (sin vapor de agua) de los productos de la
combustión completa, efectuada con el aire teórico, de la unidad de masa o volumen de combustible.
El volumen de humos neutros húmedos Vh
 El volumen de humos neutros húmedos Vh; Volumen húmedo, con vapor de agua, de los productos de la combustión
completa, efectuada con el aire teórico, de la unidad de masa o de volumen de combustible.
Vh = VH20 + Vo + Vhumedad
Proporción máxima de CO2 en los productos de combustión “o”
 Proporción máxima de CO2 en los productos de combustión “o”; Relación entre el carbono total y el volumen de
humos secos en una combustión completa realizada con el aire teórico.
E. TORRELLA
O2
CO2
H2O
SO2
N2
o 
15
E. TORRELLA
VCO 2
Vo
16
4
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Análisis de la combustión
Combustión estequiométrica o neutra
El análisis de la combustión se diferencia en
Volumen
Humos húmedos
 Combustibles gaseosos: Composición en tanto por uno en volumen (o molar) de hidrógeno,
monóxido de carbono, nitrógeno, hidrocarburos y agua.
0,79 Va
 Combustibles sólidos y líquidos: Composición en tanto por uno en peso de carbono,
hidrógeno, oxígeno, azufre, agua y cenizas.
Hidrogeno total
+
Unidad de combustible
Carbono total
Aire teórico "Va"
Humedad
Nitrógeno total
Azufre total
Volumen
Humos secos
0,79 Va
Nitrógeno total
Azufre total
E. TORRELLA
17
Componente
Humedad
Cenizas
Carbono
Hidrógeno
Azufre
Oxígeno
Nitrógeno
Total
CARACTERISTICAS DE COMBUSTIBLES INDUSTRIALES
COMBUSTIÓN NEUTRA Ó ESTEQUIOMÉTRICA
(m3 N por unidad de combustible)
VCO2
VH2O
VSO2
VO2
VN2
Va
Vo
Vh
o (%)
Hulla grasa
1,18
0,45
0,005
0,040
0,006
6,50
6,32
6,87
18,60
Hulla seca
,
1,44
0,59
,
0,004
,
0,070
,
0,007
,
7,95
,
7,73
,
8,33
,
18,60
,
Coke
1,42
0,06
0,007
0,010
0,008
6,88
6,87
7,05
20,70
Madera
0,71
0,56
0,000
0,250
0,008
3,55
3,52
4,33
20,20
F.O. Doméstico
1,60
1,52
0,004
0,001
0,001
11,26
10,50
12,03
15,24
F.O. lígero
1,60
1,40
0,013
0,001
0,001
1,00
10,30
11,70
15,51
F.O. Nº 1
1,60
1,37
0,014
0,001
0,002
10,91
10,23
11,60
15,59
15,69
F.O. Nº 2
1,58
1,29
0,025
0,001
0,003
10,70
10,06
11,35
G.N. Lacq
1,02
2,02
0,000
0,000
0,003
9,67
8,66
20,68
11,79
G.N. Groninge
0,90
1,74
0,000
0,009
0,143
8,38
7,66
9,40
11,74
G.N. Efosik
1,17
2,14
0,000
0,015
0,000
10,61
9,56
11,70
12,28
Propano comercial
3,00
3,70
0,000
0,000
0,000
23,06
21,21
24,90
14,12
Butano comercial
3,88
4,67
0,000
0,000
0,000
29,57
27,24
31,90
14,23
E. TORRELLA
E. TORRELLA
18
Características
Combustibles sólidos
Combustión estequiométrica o neutra
Combustible
Carbono total
% en peso
7,8
18,2
63,0
4,0
0,7
5,6
0,7
100
Reacciones de combustión neutra:
C + O2  CO2
H2 + ½ O2  H2O
S + O2  SO2
VCO2 
630 g . de C / kg de combustible * 22 ,4 l / mol
 1176 l / kg o 1,176 m3 / kg
12 g / mol
40 * 22,4
 448 l / kg o 0,448 m3 / kg
2
VH 2 O 
VSO 2
7*22,4

 4,9l / kg o 0,0049 m 3 / kg
32
VO2 
56 * 22 ,4
 39,2 l / kg o 0,0392 m3 / kg
32
VN 2 
7 * 22,4
 5,6 l / kg o 0,0056 m 3 / kg
28
1


Va   1176
,
 0,0049  0,448  0,0392  6,507 m3 / kg


2
Vo  1,176  0,0049  0,0056  0,79*6,507   6,328 m 3 / kg
Vh  Vo  VH 2 O  Vhumedad   6,873 m3 / kg
o 
19
E. TORRELLA
VCO 2
 0,1859 
 18,59%
Vo
20
5
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Características
Combustibles líquido
Componente
Carbono
Hidrógeno
Azufre
Oxígeno
Nitrógeno
Total
% en peso
85,0
10,5
3,0
0,9
0,6
100
Análisis de la combustión
Combustibles gaseoso
% en volumen
Tanto por uno
Metano CH4
Componente
81,3
0,813
Etano C2H6
2,9
0,029
Propano C3H8
0,4
0,004
Butano C4H10
0,2
0,002
VH 2 O  1,232 m3 / kg
CO2
0,9
0,009
VSO2  0,022 m / kg
N2
14 3
14,3
0 143
0,143
100
1
VCO 2  1,575 m3 / kg
3
Reacciones de combustión neutra:
C + O2  CO2
H2 + ½ O2  H2O
S + O2  SO2
Total
VO 2  0,006 m3 / kg
VN 2  0,004 m3 / kg
Reacciones de combustión neutra:
CnHm + (n + m/4) O2  n CO2 + m/2 H2O
1 m3 + (n + m/4) m3  n m3 + m/2 m3
Va  10,512 m / kg
3
Vo  9,906 m3 / kg
Vh  Vo  VH 2 O  Vhumedad   11138
,
m / kg
VCO 2  0,813 * 1  0,029 * 2  0,004 * 3  0,002 * 4  0,009  0,900 m3 de CO2 / m3 de gas
VH 2 O  0,813 * 2  0,029 * 3  0,004 * 4  0,002 * 5  1,739 m3 de H2 O / m3 de g
gas
VSO 2  0 m3 / kg
VO 2  0 m3 / kg
VN 2  0,143 m3 de N 2 / m3 de gas
1


Va   0,9  1,739  / 0,21  8,43 m 3 / m 3 de gas
2


Vo  0,9  0,143  0,79 * Va  7,70 m 3 / m 3 de gas
3
Vh  Vo  1,739  9, 44 m 3 / m 3 de gas
V
 15,9%
 o  CO 2  0,159 
Vo
o 
E. TORRELLA
21
Tipos básicos de combustión
VCO 2
 0,1168  11,68 %
Vo
E. TORRELLA
22
Factor de aire
Cuándo la combustión se efectúa con una cantidad de aire mayor al volumen teórico de
El volumen de aire que entra, por unidad de masa o volumen de combustible, para el proceso de
este “Va” hay un exceso de comburente y los productos de combustión contienen oxígeno,
combustión es de:
cuerpo oxidante, por lo que la combustión se denomina OXIDANTE.
VT = n Va
Por el contrario,
contrario si la cantidad de aire es inferior al volumen teórico “V
Va” hay un defecto de
siendo “n”
n el llamado factor de aire.
aire y los productos de combustión contienen inquemados como son el
hidrógeno,
En la mayor parte de los casos el aire admitido en la cámara de combustión no se utiliza en su
monóxido de carbono,.., que son reductores por lo que en este caso la combustión se
totalidad en las combustiones, por lo que para dar una definición más precisa de los diferentes tipos
conoce como REDUCTORA.
posibles de combustiones es preciso considerar dos partes en el volumen total de aire:
 Una (n1 Va) que caracteriza la cantidad de aire que realmente reacciona con el combustible para
dar un volumen de productos de combustión.
Si la combustión completa puede obtenerse con un volumen de aire exactamente igual a
“Va”, los productos de combustión no contienen oxigeno ni elementos reductores, en este
 Un segundo volumen de aire (n2 Va) que no interviene en la combustión y que solo actúa como
diluyente de los productos de combustión.
caso la combustión se denomina NEUTRA ó ESTEQUIOMETRICA.
E. TORRELLA
23
E. TORRELLA
24
6
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Clasificación en función de “n”
n1 + n2 = n
n1
n2
1
0
TIPO DE COMBUSTIÓN
NEUTRA
1
>0
OXIDANTE
˂ 1
0
REDUCTORA
˂ 1
>0
MIXTA (OXIDANTE-REDUCTORA)
E. TORRELLA
LA COMBUSTIÓN OXIDANTE
25
26
Exceso de aire
Comentarios
El aire en el proceso de combustión
Para obtener una combustión completa se
Además de proporcionar el oxígeno necesario como comburente, el aire proporciona una serie de funciones mecánicas en los sistemas, circuitos y procesos
de combustión, tales como:
requiere un exceso de aire, que depende
 Aire primario. Aporta la energía cinética requerida para formación de llama, es decir, determinar la forma en que se desarrolla la combustión, para lo
cual puede requerir una gran potencia, cuando se utiliza combustibles muy difíciles de quemar, o relativamente poca, cuando se utiliza gas natural o
GLP, que se queman con mucha facilidad, a veces requieren demorar la mezcla para tratar de alargar el tiempo de reacción y mejorar la emisividad de
llama.
de: el combustible, y de la homogeneidad
de la mezcla combustible comburente que
 Aire de atomización En algunos quemadores de combustibles líquidos se utiliza el aire como fluido pulverizador para atomización del combustible,
presentándose en la práctica dos tipos de diseños que utilizan el aire para atomizar:


E. TORRELLA
se consiga en el quemador.
quemador
Quemadores de atomización con fluido auxiliar,
auxiliar que puede ser aire comprimido o vapor,
vapor para el caso de calderas.
calderas La presión normal del aire de atomización es de 4-6
4 6 bares.
bares
Quemadores de atomización por aire a baja presión, en el cual todo el aire lo proporciona un ventilador que impulsa el aire total de combustión, que a su vez atomiza el
combustible que sale en forma lateral o radial de la boquilla.
 Tiro forzado. En la mayoría de calderas pirotubulares y algunos tipo de hornos pequeños, el ventilador del quemador debe proporcionar, además del
aire de combustión y la energía para formación de llama, el impulso necesario para empujar los gases circulantes hasta la base de la chimenea, a
partir de la cual se combina este impulso con el tiro natural creado por la chimenea, para eliminar los gases de combustión a la atmósfera. En este tipo
de sistemas, la capacidad de los calderas y hornos queda totalmente definido por la capacidad del ventilador para proporcionar el caudal y la presión
estática en la descarga que proporcione el impulso (potencia) necesarios para formación de ll ama y circulación de los gases de combustión.
El exceso de aire no es deseable, es una
masa que absorbe calor y disminuye la Tª
final y el nivel energético.
 Aire de transporte y control. El transporte neumático resulta una importante posibilidad para un inmenso espectro de operaciones que se efectúan en
sistemas de combustión, principalmente de sólidos. En instalaciones de carbón pulverizado con sistemas de combustión directo o indirecto, se debe
transportar el carbón del molino o silo al quemador. Para ello se utiliza un sistema de transporte por aire soplado que mantiene las partículas de
carbón en suspensión, debiendo mantener velocidades suficientes para evitar depósitos de carbón pero las mínimas necesarias para evitar la abrasión
en las tuberías ( 20 - 30 m/seg)
TIPO DE
COMBUSTIBLE
COEFICIENTE DE
EXCESO DE AIRE
SÓLIDO
1.5 ÷ 2
LÍQUIDO
1.1 ÷ 2
GAS
1 ÷ 1.1
Dependiendo del tipo de combustible, se
recomienda un valor para el coeficiente de
exceso de aire:
E. TORRELLA
27
E. TORRELLA
28
7
24/11/2014
Exceso de aire
Comentarios
Combustión oxidante
El máximo de eficiencia ideal se produce cerca del punto
Cuando hay un exceso de aire y la combustión se produce de forma completa, el
volumen de humos secos es igual a la suma de:
estequiométrico; en realidad se produce a un nivel un poco
más elevado de exceso de aire.
 Del volumen de humos neutros “Vo”.
La pérdida de eficiencia a la derecha del máximo se
 Del volumen del exceso de aire “n2 Va”.
produce por un incremento del caudal de gases en la
chimenea y el incremento en la temperatura de estos
y dado
d d que “n
“ = nl +n2”,
” ell volumen
l
d l exceso de
del
d aire
i es igual
i l a:
noptt > 1
gases que acompañan al exceso de aire.
(n - 1) Va
La pérdida de eficiencia en la izquierda del máximo se
El contenido de CO2 y O2 en humos secos vendrán dados por:
debe a la combustión incompleta del combustible.
También se aprecia la relación entre el exceso de aire y la
concentración de CO. El máximo de eficiencia usualmente
•
se produce con una concentración de CO en los humos
generalmente inferior a 300 ppm. Una concentración de
VCO 2


VCO 2
 1) V
 ( n  1) V
Por otra parte, el volumen Vde (noxígeno
 contenido en humos es de 0,21 (n - l)
Va; y el porcentaje de oxigeno en humos secos () será de:
o
a
VCO 2
a
o

CO de unos 1.000 ppm resultará en una pérdida de
0,21 ( n  1) Va
0,21 (n  1) Va

Vo  (n  1) Va VCO 2  (n  1) V
o
eficiencia de alrededor del 0,5 %.
E. TORRELLA
29
Combustión oxidante
E. TORRELLA
30
Combustión oxidante. Recta de Grebel

Volumen
Humos húmedos
20
+
Porcentaje en CO2 “”

a
0,21 (n  1)V a
0, 21( n  1) Va

Vo  (n  1) Va VCO 2  ( n  1) V
o
15
Aire teórico "Va"
a
Eliminando el término “(n - 1). Va “ en las
dos expresiones anteriores se encuentra
una relación entre los porcentajes en CO2
y O2 presentes en los humos secos de
una combustión del tipo oxidante
 
Gas natural
de Lacq
Vh
o 
0,21
o
10
Volumen
Humos secos
Fueloil nº 2
5
(n - 1) Va
0
0
Vo
E. TORRELLA
VCO 2
VCO 2

Vo  (n 1) Va VCO 2  (n  1) V
o
(n - 1) Va
Unidad de combustible
a
5
10
15
20
25
Porcentaje en oxígeno “”
31
E. TORRELLA
32
8
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Combustión oxidante
Cálculo del exceso de aire
Combustión oxidante
Cálculo del exceso de aire
Si la combustión es completa, como es el caso de combustiones oxidantes, dado que
El exceso de aire puede ser desarrollado en función del porcentaje de dióxido de
se cumple:
carbono en humos secos “”, ya que:
( n  1) Va  VHS  Vo 
VCO 2


VCO 2
n 1 
o
El exceso de aire en humos secos puede ser calculado a partir del contenido en
Si las características del combustible no son conocidas, puede suponerse en primera
aproximación que “Vo/Va = 1” y mediante un análisis de los humos puede conocerse
oxigeno presente. El proceso se basa en la expresión del porcentaje en oxigeno “”:


Vo   o
  1
Va  

0,21 (n  1) Va
Vo  ( n  1) Va
“”.
por tanto;  Vo +  (n – 1) Va = 0,21 (n – 1) Va   Vo = (0,21 - ) (n – 1) Va , y:
n 1 
Vo

Va 0,21  
E. TORRELLA
33
E. TORRELLA
34
La combustión reductora
Este tipo de combustión se manifiesta cuando el factor de aire es
inferior a la unidad (n1 < 1; n2 = 0), la cantidad de oxígeno puesto en
LA COMBUSTIÓN REDUCTORA
presencia del combustible no es suficiente para la completa oxidación
de la totalidad del carbono, hidrógeno o hidrocarburos. La experiencia
(n1 < 1; n2 = 0; INCOMPLETA)
muestra que en este caso se detecta monóxido de carbono e hidrógeno
en los productos de combustión.
E. TORRELLA
35
E. TORRELLA
36
9
24/11/2014
Combustión incompleta. Inquemados
Combustión incompleta. Inquemados
Inquemados gaseosos . Están formados por CO, H2 e hidrocarburos ligeros. Las causas de su formación suelen ser:
Inquemados sólidos. Los inquemados sólidos sólo se producen a partir de combustibles sólidos o líquidos. Están
 Insuficiente aire de combustión.
formados mayoritariamente por partículas de carbono e hidrocarburos fraccionados. La formación de inquemados
 Mal funcionamiento del quemador.
puede deberse a dos causas fundamentales:
 Quemador inadecuado.
 Mal funcionamiento del quemador, lo cual se traduce en:




Con independencia de los inquemados generados por reacciones incompletas, los procesos de combustión dan lugar,
inevitablemente, a la inmisión en la atmósfera de sustancias que modifican la composición del aire y que tienen un poder
contaminante sobre el mismo aire, la tierra y el agua, y constituyen, con mucho, la más importante fuente de contaminación
del aire. Las materias contaminantes procedentes de un proceso de combustión pueden clasificarse en tres grupos:
 Aire de combustión insuficiente, debido a lo cual no se puede completar la reacción de combustión.
 Productos derivados de una combustión incompleta, vistos anteriormente.
 Los inquemados sólidos son visualmente apreciables por el ensuciamiento de los conductos de humo (hollín)
y la aparición de humos oscuros en la chimenea. Su aparición produce dos efectos perjudiciales:
 Óxidos de nitrógeno, generalmente agrupados bajo la denominación NOx, siendo los más importantes NO y NO2.
 Representa una pérdida de potencia calorífica del combustible.
 Las partículas sólidas en forma de hollín se irán depositando en las superficies de intercambio de la caldera,
dificultando la transmisión de calor de los gases al agua, lo que provocará un aumento de las pérdidas de calor
por aumento de la temperatura de los gases en el conducto de evacuación y chimenea.
 Emisiones debidas a contaminantes contenidos en los combustibles, como óxidos de azufre (SO2 y SO3), cenizas y
trazas de sustancias metálicas varias.
E. TORRELLA
No se consigue la adecuada uniformidad de la mezcla del combustible y el aire.
No se atomiza el combustible lo suficiente.
suficiente
La viscosidad del combustible líquido es incorrecta.
La intensidad de fuego y las dimensiones de la llama no son adecuadas a la cámara de combustión.
37
La combustión reductora
Bases de cálculo
E. TORRELLA
38
La combustión reductora
Presiones parciales
En una mezcla de distintos gases G1, G2, ...,Gn, la presión parcial de cada uno de ellos viene
Presiones parciales.
dada por la siguiente expresión:
pGn 
Equilibrios
qu b os qu
químicos
cos een fase
ase gaseosa
gaseosa.
n º moles de Gn
pT
n º moles totales
Normalmente se considera que los productos de combustión son una mezcla de gases
perfectos, por lo que el número de moles puede ser reemplazado por el volumen que ocupa en
La ley de acción de masas.
la mezcla, por tanto:
pGn 
E. TORRELLA
39
E. TORRELLA
volumen Gn
pT
VT
40
10
24/11/2014
La combustión reductora
Equilibrios químicos en fase gaseosa
La combustión reductora
Equilibrios en fase gaseosa. Ejemplo
Una reacción química se expresa como:
Se sabe que la combustión del monóxido de carbono produce dióxido de carbono:
A B 
 C  D
reactivos
•
CO 
productos
Pero si la temperatura es elevada, hay disociación, de tal manera que:
Teóricamente, todas las reacciones son reversibles, por lo que es posible:
CO2  CO 
CD 
 A  B
•
1
O2  CO2
2
Se alcanza el equilibrio químico cuando los productos y los reactivos se
generan a la misma velocidad, de tal manera que la composición de la mezcla
permanece constante, evidentemente, hablamos de un equilibrio dinámico y
no estático:
La disociación es tanto mayor cuanto mayor sea la temperatura, a una temperatura dada existe una
mezcla de CO2 – O2 – CO, y:
CO2  CO 
A B  C  D
E. TORRELLA
41
La combustión reductora
La ley de acción de masas
E. TORRELLA
42
aA+bB->cC+dD, w=kCIi w1=k1CAaCBb w2=k2CCcCDd
w1/w2= k1CAaCBb /k2CCcCDd=1
aA  bB  cC  dD
K= k1/k2= CCcCDd/CAaCBb
La ley de acción de masas establece que:
Kp 
pCc
p aA
1
O2
2
Kp= pCc pDd/pAa pBb
d(lnKp)/dT=H/RT2 =[aT+1/2bT2+1/3cT3+C1] /RT2
d
pD
p Bb
=[a/T+1/2bT+1/3cT2+C1/T] /R
Así en el ejemplo anterior podemos escribir:
E. TORRELLA
1
O2
2
Combustion Kinetics
En equilibrio químico:
CO2  CO 
1
O2
2
lnKp=a lnT/R+bT/2R+cT2/6R+C1/RT+C2
Kp 
1/ 2
O2
pCO 2 p
pCO 2
R is universal gas constant, 8314 J/kmol, C1 and C2 are
constants determined for T0 Example 7
43
E. TORRELLA
11
24/11/2014
La combustión reductora.
Nomenclatura. nc < n1 < 1; n2 = 0
La combustión reductora. Tipos
En la combustión reductora aún pueden presentarse dos nuevas
x = volumen de H2 en m3N en humos.
posibilidades:
y = volumen de CO2 en m3N en humos.
p
a un valor crítico “nc“ ((nc <
Si el factor de aire de reacción es superior
n1 < 1) en cuyo caso los humos de combustión contienen
esencialmente H2, CO2, CO, H2O y N2 (no existiendo oxigeno libre,
pues este entra en reacción con el combustible).
z = volumen de CO en m3N en humos.
t = volumen de H2O en m3N en humos.
w = volumen de N2 en m3N en humos. Evidentemente: w  0.79 n1 Va  V N 2
Si el factor de aire es inferior al crítico (n1 < nc), en cuyo caso
aparecerá carbono libre entre los productos de combustión.
E. TORRELLA
45
La combustión reductora.
Composición. nc < n1 < 1; n2 = 0
z (CO)
Los cuatro primeros constituyentes reaccionan entre ellos siguiendo la reacción conocida como del “gas de agua”,
según la cual:
y (CO2)
CO2  H 2  CO  H 2O
Se supone en equilibrio, por lo tanto igualdad de velocidades de reacción en las dos direcciones, y de acuerdo con
+
Aire “n1 Va"
46
La combustión reductora.
Relación entre productos. nc < n1 < 1; n2 = 0
Volumen
Humos húmedos
Unidad de combustible
E. TORRELLA
la ley de acción de masas:
x (H2)
t (H2O)
K 
w (N2)
Volumen
Humos secos
y (CO2)
pCO p H 2O
pCO 2 p H 2
siendo “K” la constante de equilibrio, función de T. Para estimar K en función de la temperatura de los humos se
pueden utilizar las siguientes aproximaciones empíricas:
x (H2)
 K = 3.4x10−6 T2 − 2.08x10−3 T+0.39 (500ºC ≤ T ≤ 1000ºC)
 K = 4.28x10−3 T− 2.57 (1000ºC ≤ T ≤ 1500ºC)
 K = - 6x10−7 T2 + 0,0055 T - 3,1054 (700ºC ≤ T ≤ 2700ºC)
z (CO)
E. TORRELLA
w (N2)
47
E. TORRELLA
48
12
24/11/2014
La combustión reductora.
Presiones parciales. nc < n1 < 1; n2 = 0
K. Reacción gas de agua
Las presiones parciales se expresan (con presión total de una atmósfera) como:
K. REACCIÓN GAS DE AGUA
8
7
volumen de H 2
x
pT  1
volumen total
VT
pH 2 
6
K
5
pCO 2 
4
K 
volumen de CO2
y
pT 
volumen total
VT
K
3
VALORES
2
pCO 
1ª CORRELACIÓN 500 a 1000ºC
2ª CORRELACIÓN 1000 a 1500 ºC
pCO p H 2O
pCO 2 p H 2
volumen de CO
z
pT 
volumen total
VT
z t
VT VT
zt

y x
yx
VT VT
1
0
500
1000
1500
2000
2500
p H 2O 
3000
T [ºC]
E. TORRELLA
49
La combustión reductora.
Balance del carbono. nc < n1 < 1; n2 = 0
volumen de H 2O
t
pT 
volumen total
VT
Esta es una ecuación que relaciona los valores de x, y, z, t.
Las otras tres ecuaciones, necesarias para determinar estos
parámetros, se deducen de balances:
E. TORRELLA
50
La combustión reductora.
Balance de oxigeno. nc < n1 < 1; n2 = 0
Balance del carbono: Al no existir carbono libre, todo el carbono pasa bien a dióxido de carbono,
Balance del oxígeno: No hay oxigeno libre, por lo que este, proceda del aire comburente o del
bien a monóxido, el volumen desprendido en ambas oxidaciones es el mismo, ya que 12 g. de
propio combustible, reacciona para dar CO2, CO, ó H2O. La igualdad entre el oxigeno presente
carbono producen 22,4 l. de CO2 ó 22,4 l. de CO, por lo tanto:
en los humos y el que existe antes de la combustión implica que:
C  O2  CO2
y  z  VCO 2
1
O2  CO
2
1
H 2  O2  H 2O
2
C
Balance del hidrógeno: Una parte de hidrógeno pasa a formar vapor de agua, mientras que el
resto se libera en forma gaseosa con los productos de combustión. El hidrógeno libre o
combinado contenido en el combustible, no puede dar mas que un volumen igual al hidrógeno
1
1
Vol. de CO2  Vol. de CO  Vol . de H 2O  0,21 n1 Va  VO 2
2
2
total, es decir:
x  t  V H 2O
y
E. TORRELLA
51
E. TORRELLA
z t
  0,21 n1 Va  VO 2
2 2
52
13
24/11/2014
Resumen de ecuaciones
nc < n1 < 1; n2 = 0
K
z
VT
y
VT
La combustión reductora.
Relación de limpieza. nc < n1 < 1; n2 = 0
Se introduce una variable auxiliar, denominada “relación de limpieza” de valor:
t
VT
zt

x
yx
VT

y  z  VCO 2
volumen de CO
z
 zy
volumen
l
d CO2 y
de
x  t  VH 2 O
y
z t
  0,21 n1 Va  VO 2
2 2
w  0.79 n1 Va  V N 2
E. TORRELLA
53
La combustión reductora.
Ecuaciones resultantes. nc < n1 < 1; n2 = 0
z
V
K T
y
VT
Sustituyendo el valor de “z” (z =  y);
t
zt
VT

x
yx
VT
x  t  VH 2O
y  z  VCO 2
z y
x  t  VH 2O
E. TORRELLA
E. TORRELLA
54
La combustión reductora.
Resumen. nc < n1 < 1 n2 = 0
x (volumen de H 2 ) 
K 
x
 yt
y x
K x


t

 t 
 VH 2O 
 x 
y   y  VCO 2
z
x
K x
y
 VH 2O
K
 VH 2O
K
y (volumen de CO2 ) 
VCO 2
1 
z (volumen de CO) 
 VCO 2
1 
V

 y  CO 2
1 
t (volumen de H 2O) 
 VCO 2
1 
w (volumen de N 2 )  0,79 n1 VN 2
 VH 2O
K VH 2O
 t  VH 2O 
 t 
K
K
55
K VH 2O
K
E. TORRELLA
56
14
24/11/2014
La combustión reductora.
Factor de limpieza. nc < n1 < 1; n2 = 0
La combustión reductora.
Factor de limpieza. nc < n1 < 1; n2 = 0
K V H 2O
2 
VCO 2 
 0,42 n1 Va  2 VO 2
1 
K
La determinación del factor de limpieza se realiza llevando los valores de x, y, z, t a la ecuación
del balance de oxígeno:
y

 2 VCO 2  0,42 n1 Va  2 VO 2  

 2 K VCO 2  K VH 2O  0,42 n1 Va  2 VO 2  K  0
Si se conoce el valor de “n1” se obtiene el valor de “”, el cual es la raíz positiva de la ecuación
K V H 2O
2 
VCO 2 
 0,42 n1 Va  2 VO 2
1 
K
anterior (A 2 + B  + C = 0); evidentemente si n1 = 1, entonces  = 0 (combustión completa)
57
La combustión reductora.
Consideraciones. nc < n1 < 1; n2 = 0
E. TORRELLA
58
La combustión reductora.
Disociaciones. nc < n1 < 1; n2 = 0
El proceso de cálculo descrito se basa en la aplicación de las leyes de la termodinámica química
en un sistema en el que:
Las disociaciones posibles en el proceso de combustión a las temperaturas usuales son,
principalmente:
 El estado inicial es 1 m3 de gas o 1 kg. de combustible liquido o sólido, en presencia, a
presión atmosférica normal, de un volumen de aire inferior al teórico "Va ".
 El estado final esta constituido por los productos de la reacción a presión atmosférica
normal y una temperatura dada constante y uniforme en todo el volumen de los productos
d combustión.
de
b tió
1
(a ) CO2  CO  O2
2
1
(b) H 2O  H 2  O2
2
1
(c) H 2O  OH  H 2
2
1
H2  H
(d )
2
No obstante, el razonamiento termodinámico no tiene en cuenta la manera en que el proceso se
produce en el tiempo, la reacción total se supone instantánea y la temperatura final homogénea,
este es el caso de los gases combustibles y de los líquidos pulverizados, sin embargo para
sólidos en trozos no hay producción final de hidrógeno como inquemado, ya que la combustión
es mas lenta y si se produce liberación de hidrógeno, este quema a expensas de que se forme
mas monóxido de carbono, que queda como el único inquemado. Si el combustible sólido es
pulverizado, la combustión es rápida y puede producir hidrógeno, comportándose como los
gases y los líquidos pulverizados.
E. TORRELLA

  (2  K )VCO 2  K VH 2O  0,42 n1 Va  2 VO 2 1  K  
2 VCO 2  VCO 2 K VH 2O


 0,42 n1 Va  2 VO 2
1 
1 
K
E. TORRELLA

(2   ) K   VCO 2  K VH 2O 1     0,42 n1 Va  2 VO 2 1   K   
z t
  0,21 n1 Va  VO 2
2 2
1
O2  O
2
1
1
N 2  O2  NO
2
2
( g ) CO  3 H 2  CH 4  H 2O
(e )
Todas estas reacciones obedecen a la ley de acción de
masas y poseen su propia constante de equilibrio, pero las
(c), (d), (e) y (f) tienen una influencia despreciable por
debajo de los 1800 K, y la (g) también puede despreciarse
por encima de los 1200 K. Dado que las temperaturas
normales en hogares están comprendidas en el rango de
los 1200 a 1800 K, las únicas a considerar son las (a) y (b):
(f)
59
E. TORRELLA
60
15
24/11/2014
La combustión reductora.
Disociaciones. nc < n1 < 1; n2 = 0
La combustión reductora.
Valores de “K”. nc < n1 < 1; n2 = 0
Dado que las temperaturas normales en hogares están comprendidas en el rango de los 1200 a
Temperatura (K)
1000
1800 K, las únicas a considerar son las (a) y (b), que conducen a :
1
CO  O2  CO2
2
1
H 2O  H 2  O2
2

1
1
CO  H 2O  O2  CO2  H 2  O2
2
2
ó
CO  H 2O  CO2  H 2
REACCIÓN DEL GAS DE AGUA
E. TORRELLA
61
La combustion reductora.
Factor crítico de aire. nc < n1 < 1; n2 = 0
1200
1,371
1400
2 163
2,163
1600
2,990
1800
4,000
2000
4,550
2500
6,109
3000
7,244
E. TORRELLA
62
La combustion reductora.
Factor crítico de aire. nc = n1 ; n2 = 0
En este caso los volúmenes de cada componente con  =  y n1 = nc serán de:
A medida que “n1” disminuye, el volumen de CO aumenta, mientras que disminuye el de CO2,
 x (volumen de H2) = VH2O
con lo que la relación "" aumenta muy deprisa. Existe un valor critico de n1 (n1 = nc) para el que
 y (volumen de CO2) = 0
la relación "" llega a ser infinita. Y en estas condiciones se cumple que:
 z (volumen de CO) = VCO2
K VH 2O
2 
VCO 2 
 0,42 n1 Va  2 VO 2
1 
K 
 t (volumen de H2O) = 0
 w (volumen de N2) = 0,79 nc Va + VN2
Vemos que todo el hidrógeno del combustible se ha transformado en hidrógeno gas, y todo el carbono
ahora bien, sí  = 
2
1 ;
1 
VCO 2  0,42 nc Va  2 VO 2
E. TORRELLA
K
0,697
se ha oxidado a monóxido de carbono. Por debajo de este valor, la cantidad de oxigeno llega a ser
K V H 2O
0
K
insuficiente para hacer pasar todo el carbono a monóxido, entonces aparece carbono libre como
inquemado en los humos o sobre las paredes de la cámara de combustión.
 2 VO 2
V
nc  CO 2
0,42 Va
El valor de "nc" de un combustible indica la tendencia a desprender carbono inquemado.
63
E. TORRELLA
64
16
24/11/2014
La combustion reductora.
Caso en que n1 < nc; n2 = 0
La combustion reductora.
Caso en que n1 < nc; n2 = 0
Para un valor de “n1” inferior a “nc” aparece carbono libre según la reacción de “Boudouard”:
Utilizando la notación acostumbrada:
CO2  C  2 CO
pCO 
Para esta reacción, la ley de acción de masas establece que:
2
pCO
 KB
pCO 2
KB
T (K)
1,74
1000
52,12
1200
572,80
1400
1550
1500
3140,50
1600
12764
1800
38548
2000
252350
2500
E. TORRELLA
pCO 2 
z2
VT2
volumen CO2
y

VT
VT
z2
 z  K B VT
E. TORRELLA
66
La combustion reductora.
Caso en que n1 < nc. Carbono inquemado
Por otra parte, es preciso considerar la aparición del carbono libre en el balance de carbono,
Tomando la ecuación del balance de oxigeno:
2 y  z  t  0,42 n1 Va  2 VO 2
V
para ello se supone que "" es el volumen de gas que proporcionaría el carbono libre, si se
y
hubiese oxidado para pasar a monóxido o dióxido. Por tanto, el balance de carbono será ahora:
y  z    VCO 2 

 y (1   )  VCO 2  
z
CO 2
1 
2 (VCO 2   )  (VCO 2   ) K VH 2O


 0,42 n1 Va  2 VO 2
1 
1 
K
 (VCO 2   )
z
1 
con lo que:
2 
K VH 2O
(VCO 2   ) 
 0,42 n1 Va  2 VO 2
1 
K
 (VCO 2   )
1 
Ahora bien, cuando el valor del factor de aire es inferior al critico, el volumen de CO2 es
despreciable y el factor de limpieza "" muy grande, por lo que:
K VH 2O
0
(VCO 2   )  0,42 n1 Va  2 VO 2
K
Los volúmenes de hidrógeno "x" y de vapor de agua "t" permanecen inalterados, y se
2 
1 ;
1 
representan con las expresiones ya vistas anteriormente.
mc 
E. TORRELLA
2

pCO
p2
V2
z2 1
K B  CO  T 
pCO 2
y
y VT
La combustion reductora.
Caso en que n1 < nc; n2 = 0
VCO 2
1 
;
Por tanto, y como  = z/y:
65
y
volumen CO
z

VT
VT
67
E. TORRELLA
 * 12 * 1000
22,4
en
g/m3
  VCO 2  0,42 n1 Va  2 VO 2
de combustible gaseoso o en g/kg. de
combustible sólido o liquido.
68
17
24/11/2014
La combustion reductora.
Composición en función de “n”
La combustión reductora.
Composición en función de “n”
100
80
H2
N2
60
CO
40
H 2O
CO 2
20
0
O2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
n
E. TORRELLA
69
E. TORRELLA
70
La combustion reductora.
Composición en función de “n”
Cuando "n1" toma el valor unidad, la composición de los humos secos corresponde al caso de combustión estequiométrica. Para valores de "n1"
inferiores a la unidad, pero a su vez mayores al factor de aire critico "nc" aparecen inquemados gaseosos, aumentando el contenido en CO a
medida que desciende el valor de “n1”.
Cuando "n1" toma el valor crítico "nc", aparece carbono libre, este aumenta a medida que "n1" disminuye, por su parte el CO baja
progresivamente hasta anularse para "n1" igual a cero, en caso de que el combustible no contenga oxigeno.
LA COMBUSTIÓN MIXTA
Las reacciones químicas que desprenden calor se denominan exotérmicas,
exotérmicas este es el caso de las reacciones normales de combustión,
combustión mientras
que las que lo absorben son endotérmicas y no pueden tener lugar salvo si una cantidad de calor es suministrada del exterior. En la figura nº 6.1,
(n1 < 1; n2 > 0; INCOMPLETA)
para n1 = 1, la reacción de combustión es completa y el calor desprendido es máximo (no hay inquemados en los humos), el contenido en CO2
es máximo y la combustión estequiométrica. Cuando nl baja por debajo de la unidad, el volumen de aire que reacciona es menor al mínimo
teórico, la combustión no puede ser completa y hay inquemados. A medida que desciende el valor de n1, el calor latente contenido en los
inquemados aumenta y el calor desprendido en la combustión disminuye.
En tanto el factor de aire n1 es superior a un valor limite nL, el calor desprendido por la combustión es suficiente para elevar la temperatura de los
humos al valor T1 del diagrama, para n1 igual a ese valor limite, hay igualdad entre el calor liberado por la reacción exotérmica de combustión y el
calor sensible de los humos. Si el valor de n1 es inferior al limite la reacción es endotérmica, a la temperatura considerada, lo que hace necesario
un aporte de calor para alcanzar dicha temperatura.
E. TORRELLA
71
E. TORRELLA
72
18
24/11/2014
La combustion mixta.
Composición 1 < n1 < nc; n2 > 0
La combustión mixta.
Conceptos básicos
En este caso los productos de combustión contienen los elementos presentes en combustiones
El cálculo de los productos resultantes de una combustión mixta va a desarrollarse para valores
reductoras mas oxigeno aportado por el aire de dilución. Este tipo de combustiones también se
de "n1" comprendidos entre "nc" y el valor unidad, es decir, en ausencia de depósitos de
denomina "incompletas".
carbono. Por el momento vamos a suponer que tanto "n1" como “n2” son conocidos:
Para explicar este resultado se admite que la combustión se efectúa con un volumen de aire “nn1
Mediante el balance de oxigeno puede calcularse el valor de “”
.
Va” (n1 < 1) y que los productos de esta combustión se enfrían rápidamente, de manera que las
Con el valor de “” se calculan los volúmenes de hidrógeno, dióxido y monóxido de carbono y
cantidades de inquemados (CO, H2) no se ven modificadas al mezclarse con el volumen de aire
vapor de agua.
suplementario “n2 Va” (n2 > 0). La temperatura ha descendido a un nivel tan bajo que impide una
x
nueva reacción con el oxigeno contenido en el volumen suplementario de comburente.
E. TORRELLA
73
La combustion mixta.
Volumen de humos. 1 < n1 < nc; n2 > 0
E. TORRELLA
74
La combustion mixta.
Volumen de humos. 1 < n1 < nc; n2 > 0
Se calcula el volumen de productos secos de combustión “V1” generados por el volumen de aire
la composición de humos secos por unidad de masa o volumen de combustible es:
"n1 Va":
% H2 
V1  x  y  z  w
( w  0,79 n1 Va  VN 2 )
x
100
VHS
% CO2 
El volumen final de humos secos se obtiene añadiendo a “V1” el volumen de aire de dilución (n2
Va).
VHS  V1  n2 Va
E. TORRELLA
V
K VH 2 O
 VH 2 O
V
; y  CO 2 ; z  CO 2 ; t 
K
K
1 
1 
75
E. TORRELLA
y
100
00
VHS
% CO 
z
100
VHS
% O2 
21 n1 Va
VHS
% N2 
79 n2 Va  79 n1 Va  100 VN 2
VHS
76
19
24/11/2014
La combustion mixta.
Composición de humos. 1 < n1 < nc; n2 > 0
Volumen
Humos húmedos
n2 Va
LA COMBUSTIÓN
+
Unidad de combustible
Aire “n Va"
REPRESENTACIÓN GRÁFICA
Vol. humos húmedos;
Comb. reductora
Volumen
Humos secos
n2 Va
Vol. humos secos;
Comb. reductora
E. TORRELLA
77
Diagramas de combustión
E. TORRELLA
78
Diagrama de Ostwald
Los diagramas de combustión nos permiten efectuar cálculos de combustión de una forma
En
rápida y bastante precisa. Los principales diagramas son los de Bunte, Ostwald, Keller. Cada
diagrama para el estudio de la
1919
Ostwald
elaboró
su
diagrama varía para cada combustible.
combustión en carbones, y en 1949
 Bunte: Este diagrama
g
es válido ppara el estudio de la combustión completa
p
y es aplicable
p
a
todo tipo de combustibles
Schwarz lo amplió a todo tipo de
 Ostwald: Este diagrama es válido para combustiones incompletas, con inquemados
formados solamente por CO (no se consideran por tanto hollines). Este tipo de diagramas
da buen resultado para índices de exceso de aire elevados.
La representación gráfica de Ostwald
combustibles.
es un plano en el primer cuadrante
 Keller: Es válido para combustiones incompletas. Tenemos además de CO y H los
inquemados. Es válido para combustibles con alto contenido en H y relación C/H baja. Es
válido cuando el índice de exceso de aire es bajo.
E. TORRELLA
de un sistema ortogonal de ejes
(CO2), (CO) y (O2)
79
E. TORRELLA
80
20
24/11/2014
Diagrama de la combustión
Representación gráfica
Diagrama de la combustión
Representación gráfica
Es posible establecer un diagrama capaz de suministrar, para un combustible de características
 (CO2)
conocidas, la composición de los productos de combustión a condición de no considerar mas que los
Comb. Neutra. “A” 
casos mas frecuentemente encontrados en la práctica, es decir:
Comb. reducto
oras
 El factor de aire "n1" es mayor al critico “nc” es decir no hay depósitos de carbono.
 La temperatura de combustión está comprendida entre 1200 y 1800 K.
En general, para obtener resultados aproximados basta elaborar el diagrama correspondiente a una
temperatura de 1500 K, para mayor exactitud habría que generar el diagrama con el valor de "K"
(constante de equilibrio del gas de agua) a la temperatura exacta.
C
D
El objetivo de esta representación gráfica es el de conocer todas las características de una
B
Comb. Imposible sin aporte externo
combustión a partir de un número de datos reducidos y obtenido por análisis (porcentaje de oxígeno
O
Límite aparición carbono inquemado
en humos secos, porcentaje de dióxido de carbono en humos y la temperatura).
E. TORRELLA
81
DIAGRAMA DE LA COMBUSTIÓN
Comentarios
(O2)
E. TORRELLA
82
Diagrama de la combustión
Representación gráfica
Las rectas que delimitan el diagrama son:
Los porcentajes de oxígeno en humos secos y de dióxido de carbono en humos en función del tipo de
 La recta de Grébel (AB), que representa a las combustiones completas, la neutra (que no es sino un caso
particular de estas) se representa por el punto "A", mientras que el aire puro corresponde al punto “B”. Los
estados intermedios son propios de las combustiones oxidantes, en “B”, la dilución de los productos de
combustión por el aire de dilución es infinita.
combustión se muestran en la tabla:
Tipo de
combustión


 El segmento OA del eje de ordenadas representa la combustión sin oxigeno libre en humos,
humos y por tanto
caracteriza las combustiones reductoras.
Neutra
0

Oxidante
>0

 El segmento OB del eje de abcisas representa a la combustión sin dióxido de carbono y con n1 igual al crítico,
es decir el limite de la aparición del carbono libre.
Reductora
0

>0

Mixta
 Todo el dominio OAB, no situado sobre las rectas OA y AB corresponde al tipo de combustión oxido-reductora
o incompleta. Sin embargo, por debajo de la recta CB, el calor total, es decir la suma del calor sensible y del
latente contenido en los humos es mayor que la cantidad de calor liberada en la combustión, por lo que en la
zona OBC la combustión no puede efectuarse si no hay aporte de calor exterior.
Por tanto, a partir de los valores de “” y “” y de la composición del combustible, puede deducirse
que tipo de combustión se está llevando a cabo. La única indeterminación se presenta para valores de
 > 0 y de  < o, condiciones que se cumplen tanto para la combustión oxidante como para la mixta,
 La curva de n = 1 divide al diagrama en dos regiones, a la derecha hay exceso global de aire y a la izquierda
defecto, no obstante es necesario recordar que solo una porción del aire participa en la reacción.
E. TORRELLA
(21%)
83
no obstante, en una oxidante existe una relación fija entre ambos porcentajes (recta de Grébel):
 o
 
o
0,21
E. TORRELLA
84
21
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Diagrama de la combustión.
Conclusiones
Diagrama de la combustión.
Combustión meutra
Es el caso mas simple ya que cumple que  = o, y además no presenta oxigeno en humos. Por
lo tanto se encuentra representada en un diagrama  –  por un punto de coordenadas (0, o).
Punto “A”.
Para un combustible de características dadas, basta determinar experimentalmente los
contenidos en CO2 y O2 ( y ) en humos secos y conocer el valor aproximado de la
temperatura, para calcular, con ayuda del diagrama de combustión:

 La composición
p
de humos secos.
A
 La composición de humos húmedos.
 Los valores de n1 y n2, y por tanto las condiciones en las que se efectúa la combustión.
Zona de defecto
global de aire
Zona de exceso
global de aire
C
D
O
E. TORRELLA
85
DIAGRAMA DE LA COMBUSTIÓN.
Combustión oxidante
B
(21%)

E. TORRELLA
86
Diagrama de la combustión
Combustión reductora
Este tipo de combustión, como ya se ha visto, se representa gráficamente mediante la recta de
Grébel, cuya expresión se ha mostrado anteriormente. Recta AB.
Supuestos conocidos “”, “” y la temperatura “T”, las ecuaciones de definición de este tipo de combustiones son
las siguientes:
2 
K VH 2O
VCO 2 
 0,42 n1 Va  2 VO 2
1 
K

A
 
Zona de defecto
global de aire
Con estas dos ecuaciones se están introduciendo dos incógnitas “” y “n1”. Si ahora se considera el porcentaje de
 o
o
0,21
dióxido de carbono en humos secos:
 
Zona de exceso
global de aire
C
D
O
B
(21%)
VCO 2
(1   ) VHS
con lo que se ha introducido una nueva incógnita, como es el volumen de humos secos por unidad de masa o
volumen de combustible "VHS". Sin embargo este volumen puede ser calculado como suma de los volúmenes de los

componentes en humos secos. Con lo que el problema quede limitado a un sistema de tres ecuaciones con tres
incógnitas.
VHS  x  y  z  w  F (datos,  , n1 )
E. TORRELLA
87
E. TORRELLA
88
22
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Diagrama de la combustión
Combustión mixta ó oxido-reductora
En este caso las dos primeras ecuaciones vistas en combustión reductora siguen siendo válidas, es decir se tiene
dos incógnitas "" y "n1". En las combustiones mixtas el volumen de humos secos es el de las reductoras
incrementado en el volumen de aire de dilución "n2 Va", por lo que el porcentaje de oxigeno en humos será de:

0,21 n2 Va
0,21 n2 Va

V 'HS
VHS  n2 Va
DIAGRAMA DE COMBUSTIÓN
con V’HS como volumen de humos de la combustión oxido – reductora, y VHS como volumen de humos de la
combustión reductora.
CONSTRUCCIÓN
Con lo que entran en juego dos incógnitas nuevas "n2" y “VHS”; lo que obliga a buscar dos nuevas
ecuaciones, que pueden ser:
 Expresión del porcentaje de dióxido de carbono en humos secos.

y
VHS  n2 Va
 Volumen de humos secos en combustión "reductora". V’HS = x + y + z + w = f(datos,, n1)
E. TORRELLA
89
Diagrama de la combustión
Trazado del diagrama
E. TORRELLA
90
Diagrama de la combustión.
Combustión mixta (Cont.)
Trazado de las líneas de “” constante; El volumen de aire no reaccionante "n2 Va" actúa como diluyente de los
El método sigue la siguiente secuencia:
productos de combustión, esta dilución no modifica la relación de limpieza "", por lo que permanecerá inalterable
 Tomado un valor arbitrario de "" puede calcularse “n1”; mediante la ecuación
representativa del balance de oxigeno (a un valor de "" se corresponde un único de
n1).

1  2   
K VH 2O
 VCO 2 
n1 
 2 VO 2 

K
0,24 Va  1   

al variar “n2 Va”. Por otra parte, el contenido de CO2 en humos secos "  " varia con “n2 Va”:
 para una combustión reductora:
R 
 para una oxidante - reductora:
 OR 
 Se calcula el volumen de humos secos de la combustión reductora, con un volumen
de aire de “n1 Va”:
VHS  x  y  z  w
E. TORRELLA
VCO 2 100 (21  OR )
1 
21 VHS
Para ”” constante, hay un único valor de VHS y por tanto R ó 0R son función lineal de “”, hay un haz de rectas
(una para cada valor de "" con un punto común sobre un diagrama  – , ese punto es el (21%, 0).
 La recta de  = 0 es la recta de Grébel del combustible.
VCO 2  y  z
VHS
VCO 2 100
1   VHS

La recta de  = , para la cual n1 = nc, corresponde al eje de abcisas ó  = 0 (contenido nulo en CO2).
 VH 2O

 0,79 n1 Va  VN 2  VCO 2
K
91
E. TORRELLA
92
23
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Diagrama de la combustión.
Comentarios
Analisis humos
Por último, el parámetro "" (relación de contenidos en CO y CO2), puede ser asociado a:
Para ello contamos con las siguientes relaciones:
 A la relación entre volúmenes de hidrógeno y de dióxido de carbono (x/y), ya que:
x
y
 VH 2O
K
VCO 2
1 
x  VH 2O 1  

y
K   VCO 2
 Balances de cada uno de los componentes: carbonos, hidrógenos, oxígenos, nitrógenos,
azufres, etc.
 Datos de la composición de los productos de la combustión (humos): % de CO2, % de H2O,
% de N2, % de O2, % de CO, % de SO2, etc
para cada valor de "" existe un
valor único de la relación x/y
Los datos de la composición de humos los podemos obtener mediante un análisis de humos
utilizando un instrumento adecuado (analizador de Orsat, medidores portátiles digitales) en caso
que la combustión se esté efectuando, o suponerlos a priori (por un requisito normativo por
 De la misma forma, puede observarse que para cada valor de “” hay un sólo valor de la
relación x/t, ya que:
x 

y K
E. TORRELLA
ejemplo) y en ese caso calcular cómo debo regular la combustión para obtenerlos.
93
DIAGRAMA DE BUNTE
(combustión completa)
E. TORRELLA
E. TORRELLA
94
TRIANGULO DE COMBUSTION
95
E. TORRELLA
96
24
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E. TORRELLA
97
Diagramme d'Ostwald du fioul (FOD)
E. TORRELLA
E. TORRELLA
98
Diagrama de Kissel del Propano
99
E. TORRELLA
100
25
24/11/2014
Diagrama de Kissel del GN
ORSAT
An Orsat gas analyser is a piece of laboratory equipment used to analyse a gas
sample (typically fossil fuel flue gas) for its oxygen, carbon monoxide and carbon
dioxide content. Although largely replaced by instrumental techniques, the Orsat
remains a reliable method of measurement and is relatively simple to use.
It was patented before 1873 by Mr. H Orsat.
The apparatus consists essentially of a calibrated water-jacketed gas burette
connected by glass capillary tubing to two or three absorption pipettes containing
chemical solutions that absorb the gasses it is required to measure. For safety and
portability, the apparatus is usually encased in a wooden box.
The absorbents are:

Potassium Hydroxide (Caustic Potash)

Alkaline pyrogallol

Ammoniacal Cuprous chloride
The gas is then passed into the caustic potash burette, left to stand for about two
minutes and then withdrawn, isolating the remaining gas via the stopcock
arrangements. The process is repeated to ensure full absorption. After leveling the
liquid in the bottle and burette, the remaining volume of gas in the burette indicates
the percentage of carbon dioxide absorbed. The same technique is repeated for
oxygen, using the pyrogallol, and carbon monoxide using the ammoniacal cuprous
chloride.
E. TORRELLA
101
TEMP. ROCIO HUMOS
E. TORRELLA
102
Medidas anti punto de rocío ácido
Tubos de la caldera de doble
pared (aumento de la superficie
de intercambio).
El azufre presente en el combustible se oxida en la combustión según la reacción: S + O2  SO2
En presencia de oxígeno y a alta temperatura, el SO2 sigue reaccionando: S O2 + ½ O2  SO3
El trióxido de azufre reacciona a su vez con el vapor de agua formado en la combustión, cuya mezcla gaseosa, cuando se enfría por debajo de su punto de rocío (punto de rocío ácido), se
condensa a ácido sulfúrico dando lugar a la corrosión acelerada de las superficies más frías de la caldera.
El conocimiento del punto de rocío de los productos de la combustión es muy importante. En las calderas estándar y en las de baja temperatura, así como en los conductos de humos, se
persigue evitar la condensación del vapor de agua por los daños que puede provocar. Por el contrario, en las calderas de condensación se recupera una parte importante de la diferencia entre
Mantener la temperatura de
retorno a la caldera alta con un
bypass.
PCS y PCI del combustible, condensando una parte del vapor de agua con el fin de aumentar el rendimiento de la caldera. El vapor de agua en los humos empieza a condensar a la
temperatura de rocío de la mezcla de gases, la cual depende de su presión parcial, que a su vez depende del contenido de vapor de agua en su mezcla.
La ley de DALTON establece que cada componente de una mezcla de gases tiene una presión parcial que es proporcional al volumen ocupado por el mismo. Si, por ejemplo, se considera una
mezcla de gases de combustión a la presión atmosférica (101.325 Pa) con el 15% en volumen de vapor de agua, la presión parcial de éste en la mezcla será: 0,15 · 101.325 = 15.199 Pa
La temperatura de vaporización/condensación del vapor de agua a esa presión es de 54,3 °C, y por tanto, y para este ejemplo, ésta es también la temperatura de condensación de la mezcla de
los gases, o temperatura de rocío.
Se indican a continuación valores redondeados de las temperaturas de los puntos de rocío de dos combustibles comerciales, y en función del exceso de aire:
Calderas
de
condensación
(materiales resistentes).
Se aprecia que, por un lado, la temperatura de punto de rocío crece cuando el combustible va siendo más ligero (con mayor contenido de H2 > mayor concentración de vapor de agua) pero, por
otro, disminuye con el aumento del exceso de aire (menor concentración de vapor de agua en los gases resultantes por el incremento de aire).
La forma de evitar los efectos nocivos (corrosivos) sobre las paredes de los tubos y otras superficies de la caldera, y descartada la opción de elevar el exceso de aire para reducir la temperatura de rocío por razones
obvias de eficiencia energética, es la de mantener la temperatura del agua de retorno por encima de un cierto valor mínimo, que depende del tipo de combustible.
Sin embargo, en las calderas de baja temperatura el tema se ha resuelto con el diseño específico de las superficies de intercambio térmico entre humos y el agua para soslayar este fenómeno de la condensación, y en
las calderas de condensación este fenómeno se persigue y provoca dentro de la caldera, lo que hace que sus superficies de intercambio deban estar construidas con materiales resistentes a la corrosión.
E. TORRELLA
103
E. TORRELLA
104
26
24/11/2014
TEMP. ROCIO HUMOS
TEMP. ROCIO HUMOS
The gas phase SO3 then combines the vapor phase H2O to form gas phase sulfuric acid H2SO4:
En la combustión de un combustible se produce agua que, dada la alta temperatura de los gases de escape se encuentra
H2O + SO3 → H2SO4
en forma de vapor.
water + sulfur trioxide → sulfuric acid
La temperatura de rocío se determina a partir de la presión parcial del vapor de agua: pv = yv p; donde p es la presión a la
Because of the presence of gaseous sulfuric acid, the sulfuric acid dew point of most flue gases is much higher than the water dew point of the
que se encuentran los humos e yv es la fracción molar o volumétrica del vapor de agua en los productos de combustión
flue gases. For example, a flue gas with 12 volume % water vapor and containing no acid gases has a water dew point of about 49.4 °C (121 °F).
The same flue gas with the addition of only 4 ppmv (0.0004 volume %) of SO3 will have a sulfuric acid dew point of about 130.5 °C (267 °F).
The acid dew point of a combustion flue gas depends upon the composition of the specific fuel being burned and the
resultant composition of the flue gas. The adjacent graph depicts how the amounts of water vapor and gaseous SO3 present
in a flue gas affect the sulfuric acid dew point of the flue gas.
Given a flue gas composition, its acid dew point can be predicted fairly closely. As an approximation, the sulfuric acid dew
points of flue gases from the combustion of fuels in thermal power plants range from about 120 °C to about 150 °C (250 to
300 °F).
Prediction of acid dew points. Sulfuric acid (H2SO4) dew point
E. TORRELLA
105
TEMP. ROCIO HUMOS
106
Punto de condensación del ácido sulfúrico
Además, si el gas se enfría por debajo de
El punto de rocío ácido de un gas producto de la combustión es la temperatura, a una determinada presión , en el que cualquier ácido gaseoso en el gas de combustión comenzará a
condensarse en ácido líquido. El punto de rocío de ácido de un gas de combustión, a una presión dada, establece el punto en el que el gas de combustión está "saturado" con ácido gaseoso, lo
que significa que el gas de combustión no puede contener más ácido gaseoso. En muchos procesos industriales de combustión, el gas de combustión se enfría mediante la recuperación de
este punto de rocío por radiación o
calor de los gases de combustión calientes antes de que se emitan a la atmósfera. Es muy importante no enfriar el gas de combustión por debajo de su punto de rocío ácido, porque el ácido
líquido condensado resultante del gas de combustión puede causar graves problemas de corrosión.
convección, una niebla de gotitas de
El gas de combustión siempre contiene vapor de agua sustancial. El trióxido de azufre y el agua tienen una gran afinidad entre sí: Cuando las temperaturas bajan al punto de rocío, los dos se
combinan rápidamente para formar ácido sulfúrico. El ácido sulfúrico condensada también tiene una afinidad potente para el agua en la medida en que las concentraciones de ácido sulfúrico
ácido corrosivo formas que es altamente
que ocurren a temperaturas de punto de rocío elevados son corrosivos para el acero y casi todos los plásticos, así como materiales compuestos de cemento hidráulico.
perjudicial para los intercambiadores de
Punto de condensación
ó del ácido
á
sulfúrico
fú
Los gases de combustión procedentes de la combustión de carbón, fuel-oil, gas natural o biomasa se componen principalmente de dióxido de carbono gaseoso (CO2) y vapor de agua (H2O), así
pila y de recuperación de calor. La figura
como nitrógeno gaseoso (N2) y el exceso de oxígeno (O2) restante del aire de combustión. Por lo general, más de las dos terceras partes de los gases de combustión son nitrógeno. Ahora bien,
los gases de combustión de combustión también pueden contener pequeñas cantidades de partículas, monóxido de carbono (CO), óxidos de nitrógeno (NOx) y óxidos de azufre en forma de
muestra la tendencia de la velocidad de
dióxido de azufre gaseoso (SO2) y trióxido de azufre gaseoso (SO3). El SO 3 está presente porque una parte del SO 2 formado en la combustión del azufre oxida a SO3. La fase gaseosa SO 3 se
combina con la fase de vapor de H2O para formar ácido sulfúrico fase gaseosa (H2SO4):
corrosión frente a la temperatura de la
H2O + SO3 → SO4H2
El punto de rocío del ácido sulfúrico de la mayoría de los gases de combustión es mucho mayor que el punto de rocío del agua. Por ejemplo, un gas de combustión con vapor de agua 12% en
pared como la temperatura del gas de
volumen y que no contiene gases ácidos tiene un punto de rocío de aproximadamente 49,4 °C. El mismo gas de combustión con la adición de sólo 4 ppmv (0,0004% en volumen) de SO3 tiene
un punto de rocío del ácido sulfúrico de aproximadamente 130,5 °C. El punto de rocío ácido de un gas de combustión de combustión depende de la composición del combustible específico que
combustión cae por debajo del punto de
está siendo quemado y la composición resultante de los gases de combustión. El gráfico muestra cómo las cantidades de vapor de agua y de SO3 presente en un gas de combustión afectan el
punto de rocío del ácido sulfúrico del gas de combustión. Dada una composición de gas de combustión, su punto de rocío ácido se puede predecir con bastante exactitud. Como una
aproximación, los puntos de rocío del ácido sulfúrico de los gases de combustión procedentes de la combustión de combustibles en centrales térmicas varían de aproximadamente 120 ° C a
rocío-ácido sulfúrico.
150 °C.
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Predicción de puntos de rocío de ácido
sulfúrico
Punto de condensación del ácido sulfúrico
Según A.G. Okkes (1987)
Trocío [ºC] = 203.25 + 27.6 * Log10(pH2O) + 10.83 * Log10(pSO3) + 1.06 * (Log10(pSO3) + 8) ^ 2.19
 Presión parcial del SO3; pSO3 = PSO2VW / 100 * PConv / 100 [mmHg]; y PSO2VW % en volumen del SO2 en humos
húmedos
 Presión parcial del Agua; pH2O = PH2OVW / 100 [mmHg]; y PH2OVW % en volumen del H2O en humos húmedos
Según Verhoff F. H. y Banchero J. T
(1/ (Trocío+273.15))= 0.002276 - 0.00002943 * Ln(pH2O) - 0.0000858 * Ln(pSO3) + 0.0000062 * Ln(pH2O) * Ln(pSO3)
 pSO3 = PSO2VW / 100 * PConv / 100 * 760
 pH2O = PH2OVW / 100 * 760
Según Bahman ZareNezhad (2009)
Trocío [ºC] = 150 + 11.664* Ln(pSO3) + 8.1328 * Ln(pH2O) – 0.383226 * Ln(pH2O) * Ln(pSO3)
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Predicción de puntos de rocío de ácido
sulfúrico
E. TORRELLA
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Punto de condensación del ácido sulfúrico.
Medición
Predecir el contenido de trióxido de azufre de los gases de combustión
Como puede verse en la ecuación anterior para el punto de rocío del ácido sulfúrico de un gas de combustión, se requiere la presión parcial de trióxido de azufre en el gas de combustión. Esa
presión parcial puede determinarse fácilmente dada la presión total de los gases de combustión y el porcentaje en volumen de trióxido de azufre en el gas de combustión, puesto que la presión
parcial de cualquiera de los componentes de una mezcla gaseosa que se puede obtener simplemente multiplicando la presión total de gas por el fracción de volumen del componente de la
mezcla gaseosa. La determinación del porcentaje en volumen de trióxido de azufre en un gas de combustión por cálculos teóricos es bastante difícil y poco fiable. Sin embargo, la fracción de
volumen del dióxido de azufre en el gas de combustión se puede determinar asumiendo que el 90 por ciento o más del azufre en el combustible de combustión se oxidan a dióxido de azufre
gaseoso cuando se quema el combustible. Entonces se supone comúnmente que alrededor del 1 al 5 por ciento del dióxido de azufre se oxida adicionalmente en trióxido de azufre. En otras
palabras, si el dióxido de azufre en el gas de combustión se determina que es 0,3 por ciento en volumen y se supone que 3 por ciento de los que se oxida a trióxido de azufre, la fracción de
volumen de trióxido de azufre en el gas de combustión será (0,003
(0 003 ) (0,03)
(0 03) = 0,00009
0 00009 y,
y si la presión del gas de combustión es esencialmente 1 atm (760 mm Hg),
Hg) la presión parcial del trióxido
de azufre será (0,00009) (760) = 0,0684 mm de Hg.
Otra forma de predecir el SO3:

T = 1.273

KP = Exp(12.12 / T * (1 - 0.942 * T + 0.0702 * T ^ 2 - 0.0108 * T * Ln(1000 * T) - 0.0013 / T))

PSO3 = KP * PSO2VW / 100 * (PO2VW / 100) ^ 0.5

PSO2 = PSO2VW / 100

PConv = PSO3 / PSO2 * 100
where,


T: Temperatura de equilibrio, en K/1000
pSO3, pSO2; Presiones parciales del SO3 and SO2, en atm

PSO2VW, PO2VW; : SO2 and O2 tanto por ciento en volumen de humos húmedos.

PConv: Tasa de conversión a SO3, en %.
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Punto de condensación del ácido sulfúrico
Otros puntos de condensación del ácido
Ácido sulfuroso. Parte del dióxido de azufre en los gases de combustión también se combinan con vapor de agua en los gases de combustión
y formar ácido sulfuroso fase gaseosa (H2 SO3 ):
H 2 O + SO2 → H2 SO3 (agua + dióxido de azufre → ácido sulfuroso)
El ácido nítrico. El nitrógeno en los gases de conductos de humo se deriva de la de aire de combustión, así como a partir de compuestos de
nitrógeno contenidos en el combustible de combustión. Algunos pequeña cantidad del nitrógeno se oxida a dióxido de nitrógeno gaseoso (NO2) y
el óxido de nitrógeno en fase se combina con vapor de agua para formar ácido nítrico en fase gaseosa (HNO3):
H 2O + NO2 → H2 NO3 (ácido nítrico → agua + dióxido de nitrógeno)
Ácido clorhídrico. Algunos gases de combustión pueden contener ácido clorhídrico (H Cl) gaseoso derivado de compuestos de cloruro en el
combustible de combustión. Por ejemplo, los residuos sólidos municipales contienen compuestos de cloruro y, por tanto, los gases de
combustión de los incineradores de residuos sólidos municipales pueden contener ácido clorhídrico gaseoso que se condensará en ácido
clorhídrico líquido si los gases de combustión se enfrían a una temperatura por debajo del punto de rocío del ácido de ácido clorhídrico.
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Otros puntos de condensación del ácido
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Control de la combustión
Ácido sulfuroso (H 2 SO 3) Punto de rocío:
En la industria hay múltiples instalaciones de producción de vapor, de incineración, de
producción de energía, etc., que usan procesos de combustión.
1000/T = 3,9526 - 0.1863 loge (PH2O) + 0.000867 loge (PSO2) + 0.000913 loge (PH2O) loge (PSO2)
Procesos que deben ser controlados debido a:
El ácido clorhídrico (H Cl) Punto de rocío:
1000/T
=
3,7368
-
0.1591
 Encarecimiento progresivo de los combustibles fósiles.
fósiles
loge (PH2O)
-
0.0326
loge (PHCl)
+
0.00269
loge (PH2O)
 Limitaciones en los contaminantes de las emisiones de humos.
loge (PHCl)
Otros factores son la estabilidad del proceso de producción, seguridad en el conjunto de las
El ácido nítrico (HNO3) Punto de rocío:
instalaciones, disminución de mano de obra, etc.
1000/T
=
3,6614
-
0.1446
loge (PH2O)
-
0.0827
loge (PHNO3)
+
0.00756
loge (PH2O)
loge (PHNO3)
Para ello es imprescindible la instalación de analizadores de proceso que contribuyen a mejorar
la eficiencia de la combustión, a alargar la vida del equipo y a disminuir las emisiones de gases
donde: T = temperatura del punto de rocío ácido para el ácido indicado, en grados Kelvin; P = presión parcial, en mmHg
contaminantes.
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E. TORRELLA
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Los óxidos de nitrógeno NOx
El Nitrógeno presente en el aire ambiente se considera prácticamente
como inerte en los estudios de combustión dado que su capacidad de
oxidarse se da a muy altas temperaturas. La formación de NOx no tiene un
peso importante en la composición de los gases de combustión, por lo
tanto, sólo tiene trascendencia desde un punto de vista de formación de
contaminantes, no desde un punto de vista energético o de análisis de la
combustión.
L vías
Las
í de
d formación
f
ió del
d l NOx
NO son:

NOx térmico (85% del total): oxidación de N2 en los gases a alta
temperatura de la combustión. Prevalece a altas temperaturas. N
→ N2 (a T↑: NO, NO2, N2O4, N2O5, … = NOx)

NOx cinético: reacciones de N2 con radicales libres procedentes
de los hidrocarburos. Prevalece a bajas temperaturas.

NOx intrínseco: procedente de la combustión de compuestos
nitrogenados presentes en el combustible
En la figura se observa cómo la formación del NOx se incrementa con la
temperatura
E. TORRELLA
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E. TORRELLA
118
Lazos típicos de control de combustión
Sin analizadores
Variable global controlada, la presión del
vapor producido.
En función de dicha presión se ajusta el
caudal del combustible y el del aire de
combustión.
CONTROL DE LA COMBUSTIÓN
El exceso de aire se ajusta manualmente
al valor que determine la calidad de los
humos a simple vista, vía la estación
manual HC y el relé de relación R.
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Lazos típicos de control de combustión
Con analizadores
Analizadores de proceso
Se propone la instalación de analizadores
Casi todas las marcas se basan, más o
que midan la concentración de O2 (AT-1) y
menos, en los mismos principios: medida
CO (AT-2), así como temperatura del punto
de O2 por celda de concentración de
de rocío ácido (AT-3) en los gases.
óxido de circonio y medida de CO por
La
de
L medida
did de
d O2 se utiliza
tili en un lazo
l
d
combustión catalítica. Ambas medidas en
control que permite ajustar la ratio de exceso
base húmeda.
de aire, mediante el controlador AC-1 y el relé
No hay que olvidar que se siguen usando
de relación R.
analizadores
Es decir se determina un punto de consigna
con un porcentaje de oxígeno determinado y
o
seca, para estas medidas.
el controlador se ocupa de mantenerlo.
E. TORRELLA
multiparámetro
individuales, de tipo extractivo, en base
121
Detectores de gases. Introducción
E. TORRELLA
Detectores de gases. Europea
El 25 de Mayo de 1912 hubo una explosión de grisú en una mina de carbón en Inglaterra en la
Entre la normativa oficial europea sobre detectores de gases se destaca la
que murieron 92 personas. Como consecuencia se formó una sociedad en Sunderland para
siguiente:
estudiar las causas y medios de prevención para evitar estos accidentes.
 UNE-EN 45544 – 4: Atmósferas en lugares de trabajo. Material eléctrico utilizado para la
detección directa y la medición directa de la concentración de gases y vapores tóxicos.
Parte 4: Guía para la selección, instalación, uso y mantenimiento.
W.B. Clanny, George Stephenson y Humphry Davy trabajaron en el diseño de las lámparas
que usaban los mineros con el objeto
q
j
de aislar la llama y conseguir
g una lámpara
p
de seguridad
g
 UNE-EN 50104: Aparatos eléctricos para la detección y medida de oxígeno. Requisitos de
funcionamiento y métodos de ensayo.
que en presencia de metano aumentaba la longitud de la llama, reduciéndose al disminuir la
concentración de oxígeno en el aire.
 UNE-EN 50270: Compatibilidad electromagnética: Material eléctrico para la detección y
medición de gases combustibles, gases tóxicos u oxígeno.
Davy fue el que realizó mayores descubrimientos y fabricó una lámpara segura que se ha
venido utilizando en las minas de carbón hasta no hace muchos años.
 UNE-EN 50271: Aparatos eléctricos para la detección y medición de gases combustibles,
gases tóxicos u oxígeno. Requisitos y ensayos para aparatos que utilizan software
(soporte lógico) y/o tecnologías digitales.
También era frecuente ver a los mineros entrar en la mina con un canario, que cuando
amortiguaba sus trinos alertaban de la existencia del peligro debido al metano o a la
 UNE-EN 50402: Material eléctrico para la detección y medida de gases o vapores
combustibles o tóxicos, o de oxígeno. Requisitos de seguridad funcional para los sistemas
fijos de detección de gas.
deficiencia de oxígeno. Este procedimiento era poco fiable ya que no todos los canarios
cantaban igual ni con igual vigor.
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122
123
E. TORRELLA
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Detectores de gases. Europea
 UNE-EN 60079-29-1: Atmósferas explosivas. Parte 29-1: Detectores de gas.
Requisitos de funcionamiento para los detectores de gases inflamables.
 UNE-EN 60079-29-2: Atmósferas explosivas. Parte 29-2: Detectores de gas.
Selección, instalación, uso y mantenimiento de los detectores de gases inflamables y
de oxígeno.
También:
Guía Técnica para la evaluación y prevención de los riesgos presentes en
los lugares de trabajo relacionados con agentes químicos. Real Decreto
374/2001, de 6 de abril. BOE nº 104, de 1 de mayo. Instituto Nacional de
Seguridad e Higiene en el Trabajo. Ministerio de Trabajo y Asuntos
Sociales de España.
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