Seminario Combustión Industrial Aplicada y Control de

Seminario Combustión
Industrial Aplicada y
Control de Contaminantes
Alfredo Barriga Rivera Ph.D.
Coordinador del CDTS
FIMCP ESPOL
COMBUSTION INDUSTRIAL
DEFINICION BASE
„
Es la reacción de oxidación rápida de un
producto químico oxidable (combustible),
liberando calor y emisiones lumínicas; la
reacción se confina a una zona
denominada “llama”, donde se produce la
mayor parte de las reacciones del proceso.
El oxidante es oxígeno molecular,
generalmente suministrado como aire
ambiental. Combustible y oxígeno deben
estar en contacto.
Definiciones Básicas en Combustión
Combustión:
„
Secuencia de reacciones químicas entre combustible y un
oxidante, generalmente aire, por las cuales se libera
energía calórica y luminosa en un ambiente confinado.
„
•
•
•
•
La zona donde tiene efecto se denomina cámara, hogar, u
horno de combustión, que cumple las siguientes
funciones:
Permite ingreso de combustible y aire
Mezcla íntima de los reactantes
Confinamiento de reactantes y productos
Redistribución y almacenamiento de calor
„
„
„
„
„
„
Combustión Completa:
Cuando el combustible se oxida completamente,
generando CO2, agua y demás productos de combustión.
Quemador:
Componente donde se combina el combustible con aire,
preparándolos para la combustión.
Combustibles:
Los combustibles industriales son generalmente de origen
fósil; los principales son fuel oil #2 (liviano) y fuel oil #6
(residual).
COMBUSTION INDUSTRIAL
„
Las cámaras de combustión actúan
como reactor. Están conformadas por
paredes que retienen parte del calor. La
llama se forma y fluye a través de la
cámara. El “corazón es el denominado
quemador.
CO
MB
US
TI
BL
ES
„
„
GASES: Gas natural y gas licuado
LIQUIDOS: Diesel, bunker liviano, y
residual, como bunker pesado
• SOLIDOS PULVERIZADOS: Como el
carbón mineral, no son comunes en el
medio local
• SOLIDOS GRUESOS: se queman en
lecho fijo o lentamente móvil ( quema
en parrilla)
COMBUSTIBLES INDUSTRIALES
„
Son productos químicos, generalmente polímeros
complejos, que contienen componentes fácilmente
oxidables
„
„
„
„
„
„
„
„
Hidrocarburíferos: provienen de
derivados del petróleo o carbón mineral.
La antrancita es un carbón típico
Coke es producto procesado (pirólisis) de
carbón mineral
Metano
Gas licuado: Mezcla de propano (C3H8)
Butano (C4H10)
Diesel
Residuales pesados
PODER CALORIFICO .
Poder Calorífico
Es la energía que la masa del combustible puede liberar,
debido a una reacción química de oxidación.
El poder calorífico típico de los combustibles fósiles es:
PCcomb.fósiles ≈ 19.500 Btu/lb = 10.000 kCal/kg
Poder Calorífico Superior e Inferior
El agua formada por la oxidación del combustible puede
presentarse como líquido o como vapor; esto da origen a dos
valores de poder calorífico:
PCSUPERIOR → Agua como líquido
PCINFERIOR → Agua como vapor
Nota: Generalmente el agua no se condensa en la cámara de
combustión, por lo cual para efectos de cálculo se toma el
poder calorífico inferior.
Para combustibles hidrocar buriferos líquidos esta entre 40 a 45
M Joule/kg en base volumétrica dependiendo de la densidad.
„
Para el fuel-oil será entre 41 -43 M Joule/kg.
Propiedades de Fuel Oils de acuerdo a
Contenido de S
Contenido de S
Propiedad
Elevado
Interme
dio
Bajo
% S (masa)
2.2
1.0
0.50
Carbono %
86.25
87.11
87.94
H
11.03
10.23
11.85
N
0.41
0.26
0.16
API
17.3
21.5
24.7
690
129
49
10.33
4.7
2.2
0.08
0.04
0.02
Viscosidad
(cSt @ 38 Grad
C)
Hexano
Insoluble %
Cenizas
Propiedades de Fuel Oils de acuerdo a
Contenido de S
Metales (ppm)
Elevado
Intermedio
Bajo
350
155
70
Níquel
41
20
10
Sodio
25
10
5
Hierro
13
9
5
Vanadio
Relación entre Poder Calorífico y Densidad en los Fuel Oils
Tipo
Densidad
Ton/m3
Poder
Calorífico
Superior*
GJ/m3
1
Destilado
0.80 - 0.85
37.91– 38.94
2
Destilado
0.86 – 0.90
38.91 – 40.28
4
Residual
0.90 – 0.91
40.47 – 40.64
5
Residual
0.92 – 0.95
40.98– 41-70
6
Residual
0.96 – 0.97
42.07 – 42.43
Fuel
Oil No.
* Canadá y USA emplean el Poder Calorífico Superior- PCS. Otros países el PC
Química de la Combustión
REACCIONES BASICAS
„
„
C+O 2
CO 2
El aire contiene 79/21 partes de nitrógeno
molecular por cada parte (mol) de O2. La
fracción es equivalente a 3.76 , por lo que
el aire puede expresarse como: O2 +
3.76 N2, por tanto
C+ (O2 + 3.76 N2 )
CO2 + 3.76 N2
PRESENCIA DE HIDROGENO
„
Los combustibles hidrocarburíferos contienen
hidrógeno además de oxígeno. Este también
participa en la reacción de oxidación y genera
agua como producto de la combustión
CH4+2O
„
2
CO 2+ 2H2O
Donde 2 moles de O2 oxidan tanto el carbono
como el hidrógeno presentes en el metano
REACCIONES BASICAS DE COMBUSTION
„
„
El combustible hidrocarburífero puede
expresarse como CxHy, otra manera más
simplificada es la forma CH y/x, indicando que
se tiene y/x átomos de H por cada átomo de C.
La reacción que contiene la cantidad de
oxígeno justa para oxidar todo el material
oxidable del combustible sería:
Reactantes:
CH y/x + (1 + y/4x) ( O2 + 3.76 N2)
Productos:
CO2 + ( y/2x) H2O + 3.76 (1+ y/4x) N2
PRESENCIA DE EXCESO DE AIRE
„
„
La buena combustión requiere de un poco
más de aire que el estequiométrico. Se puede
introducir por un lado el llamado Factor de
aire estequiométrico, que es la relación
entre aire real y aire estequiométrico.
En cálculos técnicos se prefiere el Factor de
Exceso de Aire que implica la fracción
adicional
de
aire
en
relación
al
estequiométrico
REACCION DE EXCESO DE
AIRE
La reacción de combustión de CH4
con 20% de exceso de aire quedaría:
Reactantes
CH4+ (1+0.20) (1+ 4/4 ) (O2 + 3.76 N2)
Productos
CO2+2H2O + ( 1 + 0.20) ( 1+4/4).3.76 N2 +
0.20 (1+ 4/4) O2
CONCENTRACIÓN DE GASES EN PRODUCTOS
La reacción de combustión presentada anteriormente
genera un número de moles totales NT
Para la combustión completa de Metano con exceso
de Aire de 20%, el número de moles totales en
productos será (Ntp):
Ntp. = 1+2+(1+0.20)*(1+4/4)*3.76+0.2*(1+4/4)
Ntp= 12.424 (incluye agua en el producto)
Mientras que en base seca (b.S) este número es
(Ntp) =1+ (1+0.20)*(1+4/4)*3.76+0.2*(1+4/4)
Ntp=10.424 (no incluye agua en los productos)
Para un Fuel oil pesado típico
y/x= [1.5 -1.8]
Para y/x = 1.6
Con un exceso de aire del 20% (base seca)
Ntp=(1+(1+0.20)*(1+1.6/4)*3.76+0.2*(1+1.6/4)
Ntp = 7.6
Por lo tanto la Concentración de gas (mol/mol) en
productos,
En base seca será:
(CCO2) bs=N CO2 / NT = 1/7.6 = 0.131 o sea 13.1 %
Tabulando , para x/y =1.6, en base seca
EA
Ntp
CCO2
CO2
0.05 ( 5 %)
0.10 (10%)
0.15 (15%)
0.20 (20%)
7.6
0.131
0.037
Relación Aire Combustible en base
Masa (a/f)
Esta relación depende tanto del tipo de combustible (y/x)
como del exceso del aire
y
(1 + ).Maire
Para el caso estequiometrico (ea=0):
4x
a/ f =
(1).Mf
Y en presencia de Exceso de Aire
y
(1 + ea)(1 + ).Maire
4x
a/ f =
(1).Mf
Maire=(32+3.76*28)=137.28 g/mol
Mf=(12+y/x)
Ejemplo
con exceso de aire 20%
y/x
2.5
2
1.6
(ma/mf) Esteq
14.13
(ma/mf) real
16.96
Composición real de
Combustibles
CASO 1
CASO 2
i
mi/m tot
Ni/Nc
i
mi/m tot
Ni/Nc
C
84
1
C
86 %
1
H
12
1.71
H
10%
1.395
O
1.5
0.0134
O
N
0.5
0.0697
S
3.5
0.
N
S
Mineral
2.5
0.011
Mineral
En base a los pesos moleculares se puede expresar una molécula de
la forma
Los coeficientes y/x, w/x, z/x se obtiene en
base a las masas (m) y masa moleculares (M)
de los elementos respectivos
Asi, y/x es el cociente entre el número de
mole de H y número de moles de C (NH/NC)
⎛ mH
NH
y
=
= ⎜⎜
x
NC
⎝ mC
⎞⎛ M
⎟⎟ ⎜⎜
⎠⎝ M
Similarmente para los otros
C
H
⎞
⎟⎟
⎠
Luego se procede a plantear la ecuación de combustión,
de la siguiente forma:
En los reactantes:
y w u z
CHy SwOz Nu + (1+ ea)(1+ + + − )(O2 + 3.76N2 )
4x x x 2x
x x x x
En los productos:
y
w
u
CO 2 +
H 2 O + SO 2 + NO 2 +
2x
x
x
y w u z
y w u z
3.76(1+ ea)(1+ + + − )N2 + ea(1+ + + − )O2
4x x x 2x
4x x x 2x
Los valores del caudal emitido [Q] por cada uno de los
contaminantes desde la chimenea, utilizamos las
relaciones estequiometricas de la ecuación de combustión
a partir del consumo de combustible
En donde:
Ncont= numero de moles del contaminante en la ecuación
PMcont= peso molecular del contaminante
PMcomb= peso molecular del combustible
Ejemplo
i
mi/mt (100%)
C
H
O
N
84
12
1.5
0
S
Mineral
2.5
Coeficientes de la
molécula de
combustible
y/x
w/x
z/x
u/x
1.7143
0.0112
0.0134
0.0000
Coeficiente de los Productos
CO2
1
H2O
0.857
SO2
0.0112
NO2
0.0000
N2
6.466
O2
0.287
Analisis de Concentración en base seca
Moles Totales en los productos
Concentracion de CO2
Concentracion de SO2
Concentracion de NO2
Concentracion de N2
Concentracion de O2
7.7636
0.12880581
0.00143756
0
0.83283996
0.03691666
Exceso de
Aire 20%
Termodinámica de la
Combustión
La temperatura de gases depende de
temperatura de gases de entrada, del
calor especifico de los gases, exceso de
aire y principalmente del poder
calorífico del combustible
.
Tg = Taire +
m f PC
.
mg .Cp g
m g = ma + m f
⎛ mg
⎜
⎜m
⎝ f
⎛ mg
⎜
⎜m
⎝ f
⎞ ⎛ ma
⎟=⎜
⎟ ⎜m
⎠ ⎝ f
⎞ ⎛ ma
⎟=⎜
⎟ ⎜m
⎠ ⎝ f
⎞
⎟ +1
⎟
⎠
⎞ ⎛ mf
⎟+⎜
⎟ ⎜m
⎠ ⎝ f
Tg = Taire +
⎞
⎟
⎟
⎠
PC
⎛⎛ m ⎞ ⎞
⎜ ⎜ a ⎟ + 1⎟Cp g
⎜⎜ mf ⎟ ⎟
⎠ ⎠
⎝⎝
Balance de Masa en Procesos de
Combustión
Masa Reactivos = Masa Productos
CO2
N2
O2
GASES DE
COMBUSTIÓN
SO2
HCl
AIRE
(79% N2, 21 % O2)
CÁMARA DE COMBUSTIÓN
COMBUSTIBLE
(Reacciones Químicas de
Transformación, Liberación de
Energía)
(Fuel Oil, Diesel,
Materia Sólida)
NOx
VOC’s
Partículas e
Inquemados
CENIZAS Y MATERIA INERTE (vidrio, metales, etc)
TEMPERATURA DE LLAMA .
Depende del poder calorífico y del exceso de aire. Si no
hubiese perdidas térmicas de diseño y temperaturas
adiabática.
En la práctica se pierde calor tanto por acumulación en las
paredes, por perdidas hacia el exterior y por transferencia
a la carga térmica .
Asumiendo comportamiento de gas ideal
∆E = m Cp (Tg-Ta)
∆E Cambio en flujo de Energía
m flujo de masa
Cp calor especifico de gases(1.1 kJ/kg °C)
Tg temp de llama
Ta temp de aire
EFECTOS DE PAREDES DEL
HORNO (HOGAR)
PROPOSITO 1
Confinar llamas y
gases, permitiendo
las reacciones
„
PROPOSITO 2
Retener parte del calor
de la combustión,
retornándolo a la
mezcla que ingresa
por el quemador y
permitiendo la
estabilización
térmica de la llama
„
Ignición
Se produce cuando la mezcla combustible libera al inflamarse, suficiente
cantidad de energía para vencer las pérdidas térmicas.
Se aplica principio de la explosión térmica.
Q
gen
Q
loss
T
T
P3
P2
T
P1
Límites de Inflamabilidad
„
„
„
La mezcla aire/combustible es inflamable en un cierto
rango de valores.
A presión normal ( aprox atmosférica) existe un límite
superior de inflamabilidad y un límite inferior en la
relación masa de combustible a masa de mezcla.
El inferior se llama límite de mezcla pobre y el superior
límite de mezcla rica. Para que la mezcla se inflame
(combustionarse) esta deberá encontrarse localmente
( punto a punto) dentro de los límites de inflamabilidad.
Regiones en las que esto no se emplee no
combustionarán
Velocidad de llama
„
Si se iniciase ignición en un punto de
una mezcla inflamable aire/
combustible, se formaría un frente de
combustión que se propagaría con
velocidad característica Vfl. Para
condiciones ambientales de la mezcla
fresca, esta velocidad es del orden de
fracción de metro por segundo hasta
unos pocos m/s.
Velocidad de llama
Example of a pulverised coal flame
.- Llamas de difusión.-
FUEL
O2
Llama de Pre-mezcla
„
„
Esta se da cuando el combustible y el
comburente (aire ) se Inter.-mezclan antes
de llegar al frente de llama. En este caso el
frente de combustión ocupa un volumen
mayor.
Los quemadores de gas para cocinas se
tipifican como de llama de premezcla. La
llama se forma en el interior del mechero.
Llama de Pre-mezcla
Reacciones Intermedias.„
„
„
„
„
La combustión se da a través de un
conjunto de reacciones. Los principios
se agrupan en los siguientes pasos:
Iniciación
Propagación
Ramificación
Terminación
Cinética de Reacciones.„
„
las reacciones de combustión toman un
tiempo dado que depende de temperatura y
presión.
Para tipificarse se utiliza la constante de
reacción, que mide la rapidez de reacción. Su
valor depende de la temperatura a la que se
desarrolla la reacción, así como de las
concentraciones.
Elementos de Reacciones de Combustión
Equilibrio.
„
„
Dado un tiempo suficiente, la reacción
tiende a un equilibrio entre la reacción
directa y reversa.
La constante de equilibrio depende de
la temperatura (exponencial) y de la
presión, así como las concentraciones.
Ver más detalle en la bibliografía.
Combustión Industrial de
Combustibles líquidos.-
Combustión Industrial de
Combustibles líquidos.„
„
La buena combustión requiere mezcla
íntima combustible/comburente.
Cuando el combustible es sólido y se
pulveriza previamente, se puede
generar una mezcla de comburente (
aire) y combustible suspendiendo las
partículas.
Combustión Industrial de
Combustibles líquidos.„
„
Pero si el combustible es líquido, debe
evaporarse previo a la combustión.
Un mecanismo es el térmico, induciendo
evaporación por calentamiento del
combustible, que luego se mezcla en
fase gaseosa con aire.
Combustión Industrial de
Combustibles líquidos.„
„
En este proceso, se procede primero a inducir
una atomización de fluido, generando una
nube de finas gotillas que se mezclan con el
aire, donde se evaporen y ocurra la
combustión en la zona de llama.
En la atomización, la corriente fluida es
forzada a continuar hacia el elemento
atomizador, que recibe continuo líquido y
emite una película cónica
Combustión Industrial de
Combustibles líquidos.„
„
Las fuerzas viscosas fraccionan la lámina
formando “cilindroides” de líquido que siguen
fraccionándose bajo la acción de fuerzas
viscosas y la corrosividad propia de las
partículas fluidas.
Finalmente se genera una fina nube de
gotillas que se evaporan rápidamente
conforme se acercan a la zona de
combustión.
Combustión Industrial de
Combustibles líquidos.-
Figure 6: Example of a burner mixed natural gas flame
Características de
Atomizadores
„
„
„
„
„
„
„
buen funcionamiento depende una buena
combustión.
La buena atomización depende, entre otras
cosas, de:
Caudal
Viscosidad del fluido
Tensión Superficial
Presión de Operación
Presencia de partículas / substancias
perturbadoras.
Características de
Atomizadores
„
Combustibles
“pesados” como fuel
oil N°6 deben
calentarse para
reducir su
viscosidad. Además,
para estos casos se
utiliza un segundo
fluido, aire ó vapor
para apoyar el
fraccionamiento.
Características de
Atomizadores
Figure 5: Example of a fuel oil flame
Problemas con mala
atomización.„
„
Mientras más pequeñas sean las gotillas, más
rápido se vaporizan, gotas demasiado
gruesas (diámetro superior a 75 micrones)
pueden no alcanzar a vaporizarse antes de
llegar a la llama.
Las gotas finas poseen más área por unidad
de masa, y se evaporan mucho más rápido;
pues evaporación es un
fenómeno
superficial.
Problemas con mala
atomización.„
„
Si la gota llega a la cercanía de la zona
de llama sin evaporarse
completamente, se forma una llama de
difusión alrededor de la gota.
Este actúa como una envolvente, desde
cuyo interior fluye combustible y por el
exterior el oxígeno ( aire ):
Problemas con mala
atomización.„
„
Se forman residuos “gomosos” que son en
definitiva hidrocarburos incompletamente
quemados, parte de VOC´s que salen por la
chimenea ó se depositan en las paredes.
Cualquier elemento que afecte la atomización
y evaporación subsecuentemente
tendrá
efecto sobre la generación de contaminantes
( hidrocarburos mal quemados).
Quemador.„
„
„
„
„
Es la unidad que indica la combustión.
Para el caso de combustibles líquidos debe
proveer la inyección de combustible por medio
de bomba ( de engranajes ), así como
insuflamiento de aire.
Provee también el espacio para atomización y
mezcla previa, así como para la combustión .
Algunas veces incluye un bloque cerámico
refractario.
La entrada de aire se da por el exterior de la
boquilla de atomización, y se colocan álabes
inductores de giro ( swire )
Quemador.-
Quemador.-
La
presencia
del
bloque de quemador
asegura que la llama
se
desarrolla
completamente antes
de enfrentar la carga
térmica, caso contrario
pueden generarse “
puntos
fríos”
de
temperatura
insuficiente
para
reacción completa.
El atomizador es una unidad de tipo fluido-mecánico.
Su función consiste en permitir que el combustible, que
ingresa como una corriente fluida continua, se convierta en
una “niebla” de pequeñas gotillas de diámetro variable.
El fraccionamiento se da por un efecto de interacción
fluido-dinámica, por ejemplo
por doble fluido
(combustible y vapor o aire caliente), combinado con
paso por pasajes “tortuosos” , impactación contra placas
y cambios bruscos de dirección.
09.- Las gotillas así formadas, que
se emite como una fina “sábana”
cónica de fluido y se fracciona
subsecuentemente en gotillas más y
más finas.
La distribución va desde décimas de
micra (micro-metros) hasta unos
pocos centenares de micras.
Las gotillas muy finas (orden de
una micra o menos) se evaporan muy
rápidamente, mientras que las gotillas
de diámetro cercano a 100 micras o
superior tienen dificultades para
evaporarse.
10.- La nube de gotillas se va acercando a
la zona de llama y se evapora. Si las gotas
son muy gruesas (mayor a 100 micras)
pueden llegar a la zona de llama todavía
como gotillas líquidas, atravesando la
llama con combustión de llama de
difusión, es decir que se forma una llama
alrededor de la gota en la envolvente en
que se junta el combustible evaporado y el
oxígeno del exterior.
Esto aumenta rápidamente la temperatura
en el interior de la gota, esta se piroliza y
descompone térmicamente, generando un
núcleo
“gomoso”
con
restos
de
hidrocarburo
(NMHC). Estas
mal
quemados
gotas se perciben
visualmente como incandescencias que
atraviesan la llama.
Esto contribuye
contaminantes.
a
la
formación
de
Boquilla de alimentación mecánica 1
Configuración de la
boquilla
Efecto atomizador
Viscosidad fuel SSU
Orificio simple,
movimiento ciclónico
Mezcla comprimida
con chorro fluido
ciclónico
Hasta 100
Presión línea fuel psig 75 – 150
Caudal galón/H
10 -100
Turn down ratio
2.5:1 a 3.5:1
Aire Atomización Scf
aire/galón fuel
Llama/ cámara
Contenidos de sólidos
N/P
Llama corta, baja
velocidad , cámara
grande
Boquilla de alimentación mecánica 2
Taza Rotativa
Configuración de la
boquilla
Efecto atomizador
Viscosidad fuel SSU
Extremo abierto,
movimiento ciclónico
Introducción de aire
de combustión con
lamina ciclónico
Hasta 300
Presión línea fuel psig baja
Caudal galón/H
5 -300
Turn down ratio
5:1
Aire Atomización Scf
aire/galón fuel
N/P
Llama/ cámara
N/P
Contenidos de sólidos Hasta 20%
Quemador de atomización para aire
externo de baja presión
Configuración de la
boquilla
Efecto atomizador
Viscosidad fuel SSU
Presión línea fuel psig
Chorro
Choque externo de
chorro fuel con
chorro de aire
200 -1500
Menos 1.5 psig
Caudal galón/H
Turn down ratio
Aire Atomización Scf
aire/galón fuel
Llama/ cámara
400-1000 Scfa aire/
galón fuel
Llama corta, cámara
pequeña
Contenidos de sólidos Hasta 30%
Quemador de doble fluido externo
de alta presión
Configuración de la
boquilla
Chorro
Efecto atomizador
Choque externo no
fuel con aire
Viscosidad fuel SSU
150 -5000
Presión línea fuel psig
30- 150 psig
Caudal galón/H
Turn down ratio
3:1 a 4:1
Aire Atomización Scf
aire/galón fuel
2-5 lb /galón-fue
Llama/ cámara
Contenidos de sólidos Hasta 70%
Boquilla de mezcla interna
Configuración de la
boquilla
Spray cónico
Efecto atomizador
Impacto de una
mezcla de fuel con
fluido de atomización
antes de emerger
Viscosidad fuel SSU
Hasta 100
Presión línea fuel psig
Caudal galón/H
Turn down ratio
3:1 a 4:1
Aire Atomización Scf
aire/galón fuel
Llama/ cámara
Contenidos de sólidos
bajo
Diagrama de Ostwald (1)
„
„
„
El diagrama de Ostwald es la graficación de las
concentraciones volumétricas de los varios
componentes de los gases de combustión: CO2, O2, CO.
Se incluye además el exceso de aire.
En la práctica, los quemadores industriales operan entre
el 5 y 35% de EA. La mayoría produce muy poco CO
(menos de 0,2%). En tal caso puede asumirse la línea
de combustión completa.
A partir de cálculos teóricos estequiométricos es posible
construir el diagrama de Ostwald. Para un combustible
de composición conocida, se requiere de una sola
medición (usualmente % O2) para conocer el EA.
Diagrama de Ostwald
Diagrama de Sankey (1)
„
„
Energía
Química del
combustible
El diagrama de Sankey, muestra en forma global
un balance energético a un sistema térmico de
combustión,
a
manera
de
franjas
que
representan, según su anchura, la cantidad de
energía correspondiente, según su dirección, al
destino final de esa energía.
Se trata de establecer un balance térmico entre la
energía química provista por el combustible y la
energía utilizada por el sistema.
Energía
Transferida a
la Carga
Térmica
+
Pérdidas
Térmicas
+
Calor Sensible
de Gases
+
Energía
Perdida por
Ineficiencias
de
Combustión
Diagrama de Sankey (2)
Productos de Combustión.-
Figure 2: View of fire-bed in a stoker fired boiler
Productos de Combustión.„
„
„
„
„
Los principales productos de
combustión de combustibles
hidrocarburíferos son:
CO2, H2O, N2, O2
CO, SOx, NOx
Hollín, fly ash, HC mal quemados.
Metales fundido /solidificado
Productos de Combustión.-
Formación de Partículas en Combustión
Formación de Incrustaciones en Combustión de Fuel Oil Pesados
Mediciones Importantes en Combustión
„
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
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Las
siguientes
son
las
principales
mediciones
recomendadas para un análisis de combustión de
hidrocarburos:
Temperatura del combustible
Concentración de O2
Concentración de CO2
Temperatura de Gases
Niveles de Humos
Análisis Visual de Llama
Mediante tales mediciones se puede establecer si se está
manteniendo una adecuada combustión, y por ende los
ajustes necesarios al proceso para obtener mejoras en su
eficiencia.
Reducción de SOx.
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Se logra reduciendo el contenido de azufre
del combustible.
El fuel oil pesado y el diesel local contienen
entre 1 al 3 % , si bien las entidades
gubernamentales vinculadas a producción de
combustible indican que el máximo es 1.8 %.
Una vez generado, es complicado extraer el
SOx. Debe usarse lavado de gases o procesos
catalíticos/ químicos.
Formación de NOx
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El NOx puede formarse tanto a partir del Nitrógeno
del combustible como del Nitrógeno molecular del
aire.
La formación de N2O, NO2y NO3 tiende a aumentar
con la temperatura.
Por tanto, aquello que reduzca la temperatura reduce
la formación de NOx. Véase referencias sobre los
varios mecanismos.
Nota: Se requiere temperatura para completar la reacción, excepto
en combustión “fresca” que se da usando catalizadores. Por otro
lado, una mayor temperatura permite mayor tasa de
transferencia de calor. Del modo que deberá buscarse un punto
de equilibrio.
Formación del CO.„
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Normalmente no debiera darse CO en
combustión industrial, en la que se usa
15- 25 % de exceso de aire.
Monóxido de carbono se da en motores
de combustión interna.
Sin embargo, de descalibrase el
caldero ó al operar a baja carga podría
darse operación con déficit de aire que
conduce a presencia de CO.
Chimeneas.„
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Los gases de combustión deben ser ductados
hacia la atmósfera.
Para ello se usa la chimenea.
Su función es doble: inducir tiro y emitir los
gases lo más lato posible
( con la esperanza que se dispersen los
contaminantes antes que retorne la estela al
suelo )
Chimeneas.„
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La chimenea es básicamente un ducto
vertical.
En su diseño debe asegurarse que
sobresale de las estructuras colindantes
para que la estela de humos no sea
arrastrada a suelo por las “ burbujas”
de recirculación que se forma corriente
debajo de cuerpos fluidodinámicamente abruptos.
Tiro.
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Es la presión negativa que se
genera por la temperatura de
gases de combustión y presencia
de la chimenea.
Gases calientes son menos densos
que aire ambiental y se genera,
flotabilidad (boyantez).
Esto genera efecto de aspiración,
que tiende a extraer los gases de
la cámara. La diferencia de
presiones se denomina “tiro”.
Chimeneas.„
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„
Mientras menor sea la distancia de
la chimenea a las estructuras
aledañas , mayor deberá ser la
altura de la chimenea.
Altura mínima de chimenea: 8
metros.
Elevación mínima de chimenea
sobre estructuras colindantes: 4
metros
Si la chimenea está dentro de la
“burbuja” de recirculación, la
elevación mínima será la de medio
ancho de la estructura circundante.
Por ejemplo, si el ancho de la
estructura fuese 20 metros, la
chimenea deberá elevarse 10
metros por encima.
Clasificación de chimeneas y conductos
para evacuar humos o gases de combustión
y fluidos calientes
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Las chimeneas y conductos para evacuar
humos o gases de combustión y fluidos
calientes se clasifican como de baja, media y
alta temperatura, midiéndose ésta en la
entrada de los gases :
Altura del remate de una chimenea o conducto
para evacuar humos o gases de combustión,
fluidos calientes, tóxicos , corrosivos o molestos
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Una chimenea o un conducto para evacuar humos, gases de
combustión, fluidos calientes, tóxicos, corrosivos o molestos,
tendrá su remate a las alturas más abajo especificadas.
Altura del remate respecto de azotea o techo:
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El remate o boca se ubicará, respecto de una azotea o techo, a
la altura mínima siguiente:
1. 2,00 m sobre una azotea transitable.
2. 0,60 m sobre una azotea no transitable o techo cuyas faldas
tengan una inclinación hasta el 25%.
3. 0,60 m. sobre las faldas de un techo inclinado más del 25% y
además, 0,20 m por encima de cualquier cumbrera que diste
menos que 3,00 m del remate.
Altura del remate de una chimenea o conducto
para
evacuar humos o gases de combustión, fluidos
calientes, tóxicos , corrosivos o molestos
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b) Altura del remate
respecto del vano de
un local:
El remate de una
chimenea estará
situado a un nivel
igual o mayor que la
medida Z, respecto
del dintel de una
vano de un local:
Construcción metálica:
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La obra metálica de una chimenea o conducto
será unida por roblonado, soldadura u otro
sistema igualmente eficaz.
El espesor mínimo de la pared será: