Capitulo 2

Capitulo 2
COMBUSTIBLES
Se denominan como combustibles, aquellas sustancias que reaccionan químicamente con otras sustancias para
producir calor, o producen calor por procesos nucleares. De manera general, el término combustible se utiliza por
lo general para designar a aquellas sustancias que arden fácilmente en aire u oxígeno emitiendo cantidades apreciables de calor. Los combustibles se utilizan para generar energía calorífica para el calentamiento, para proporcionar energía para obtener movimiento a partir de motores de combustión interna, y como fuente directa de
energía en aviones y cohetes a propulsión.
En los procesos pirometalúrgicos, la propiedad fundamental de las sustancias combustibles es su capacidad de
generar energía térmica; es decir, producir calor al combinarse químicamente con el oxígeno en el proceso denominado “combustión”.
Se denominan como “combustibles metalúrgicos” a aquellas sustancias que al quemarse suministran calor a niveles de temperatura utilizados para operaciones metalúrgicas a escala comercial.
Energía calórica de los combustibles
Generación de calor
Generación de movimiento
Movimiento de bombas
compresores y vehículos
de transporte
Calefacción
Calentamiento de hornos
Calor para procesos industriales,
etc.
Generación de vapor
Generación eléctrica
Iluminación
Procesos químicos
Procesos eléctricos
Usuarios finales
Figura 2.1 Usos de los combustibles
-4-
2.1 Propiedades generales de los combustibles
2.1.1 Composición química
Los combustibles están formados por los elementos carbono, hidrógeno, nitrógeno y azufre. Además contienen
agua y sustancias minerales incombustibles que forman la ceniza.
El carbono es el componente más importante de los combustibles, y puede llegar hasta un 85 – 90% del peso total
de la sustancia. Se encuentra en forma de compuestos orgánicos asociado generalmente con hidrógeno en forma
de cadenas hidrocarbonadas. El elemento carbono al combinarse químicamente con el oxígeno en el proceso de
combustión, genera las siguientes cantidades de calor:
C + 0.5 O2 = CO
C + O2 = CO2
∆H = - 110.7 kJ/mol
∆H = - 393.5 kJ/mol
El hidrógeno que se encuentra ligado al oxígeno formando agua no contribuye a la generación de calor. El hidrógeno no ligado al oxígeno participa en la generación de calor.
H2 + 0.5 O2 = H2O
∆H = - 241.6 kJ/mol
El azufre puede encontrarse como compuesto orgánico (So), como sulfuro (Ss) o como sulfato (Ssf). El azufre
orgánico y el sulfuroso (So + Ss) arden produciendo calor, por eso se los designa como azufre combustible. Sin
embargo, los productos de esta combustión, SO2 y SO3 impurifican con azufre algunas veces los materiales tratados en el horno, disminuyendo a veces considerablemente su calidad. De ahí que el contenido de azufre combustible es en general indeseable. El azufre sulfático (Ssf) pasa a la ceniza y en general no participa de la combustión.
La humedad contenida en el combustible disminuye considerablemente su calidad puesto que:
-
Disminuye la proporción de las sustancias combustibles.
Consume calor para evaporarse (540 calorías por gramo de agua evaporada)
Se distinguen la “humedad real o exterior” que se elimina al calentar el combustible sólido a temperaturas menores a 105 ºC, y la “humedad interior o higroscópica”, que se elimina al calentar la sustancia a temperaturas mayores a 105 ºC.
Las cenizas representan el residuo incombustible que queda después de arder el combustible y consiste de sustancias minerales que contienen óxidos de hierro, potasio, sílice, alúmina, magnesio y sodio, sulfatos de cobre, hierro, etc., y otras sustancias inorgánicas.
Las cenizas representan también un lastre que disminuye la calidad del combustible debido a que:
-
Disminuye su poder calorífico al disminuir la proporción de sustancias combustibles.
Consume calor para calentarse y eventualmente para fundirse.
La temperatura de fusión de las cenizas tiene un gran significado ya que influye en la marcha de los procesos
metalúrgicos, sobre todo en combustibles de elevado contenido de cenizas.
2.1.1.1 Composición química de los combustibles sólidos y líquidos
Se determina por el análisis elemental del combustible y se expresa en porcentaje de masa. Generalmente el contenido de oxígeno se calcula como la diferencia de 100 de todos los otros componentes, de modo que se puede
escribir el resultado del análisis en forma de la igualdad:
%C + %H + %N + %S + %O + %W + %A = 100
En esta igualdad, W es la humedad y A el contenido de cenizas.
-5-
En la práctica se utilizan diferentes bases para expresar los porcentajes de masa según el tipo de combustible que
se analice; así se tiene:
Base de trabajo, cuando se analiza el combustible tal como llega a la planta industrial:
%C + %H + %N + %S + %O + %W + %A = 100
Base seca, cuando se analiza el combustible deshidratado:
%C + %H + %N + %S + %O + %A = 100
Base combustible, cuando se analiza el combustible deshidratado y sin cenizas:
%C + %H + %N + %S + %O = 100
En este caso el azufre que se toma para el análisis es el azufre orgánico y el azufre como sulfuro, no así el azufre
que forma parte de los sulfatos orgánicos.
2.1.1.2 Composición química de los combustibles gaseosos
Los componentes fundamentales de los combustibles gaseosos son:
Compuestos combustibles:
Monóxido de carbono
Hidrógeno
Metano
Etileno
Hidrocarburos gaseosos
Gas sulfhídrico
CO
H2
CH4
C2H4
CnHm
H2S
Nitrógeno
Oxígeno
Bióxido de carbono
Vapor de agua
N2
O2
CO2
H2O
Compuestos no combustibles:
La composición de un combustible gaseoso se expresa, a diferencia de los combustibles sólidos y líquidos, en
porcentaje en volumen. La determinación se realiza en aparatos especiales para análisis de gases. El contenido de
nitrógeno se lo calcula por diferencia. La humedad se expresa en gramos de agua/m3N de gas o gramos de agua/
kg de gas. Por esta razón, la composición de los gases siempre se la expresa referida al gas seco:
%CO + %H2 + %CH4 + %C2H4 + %CnHm + %H2S + %N2 + %O2 + %CO2 = 100
Para pasar a la composición expresada sobre la base de trabajo (analogía con la base de trabajo de los combustibles sólidos y líquidos), se debe calcular el porcentaje de volumen del vapor de agua presente en condiciones
normales, y que se encuentra expresada, como se indicó anteriormente, en g/m3N.
A veces el gas contiene polvos, alquitrán u hollín en suspensión. Estos componentes se expresan igual que la
humedad (g/m3N de gas seco).
2.1.2
Poder calorífico
Se denomina poder calorífico o calor de combustión “Q” a la cantidad de calor que desarrolla un combustible al
arder completamente una unidad de masa o volumen de combustible.
-6-
Se toma el kilogramo como unidad de masa para combustibles sólidos y el m3N como unidad de volumen para
combustibles gaseosos, de modo que el poder calorífico se mide en kJ/kg para los primeros y en kJ/m3N para los
últimos.
Estas unidades de masa o de volumen se pueden referir a la composición del combustible expresada sobre la base
de trabajo, base seca, etc., y por eso se distinguen el poder calorífico de trabajo, el poder calorífico sobre base
seca, etc.
Además se distinguen el poder calorífico inferior y superior, según las condiciones de combustión. Si los gases
producto de la combustión se enfrían hasta la temperatura ambiente de modo que el agua contenida en el combustible y formada por la combustión condensa al estado líquido, se tiene el poder calorífico superior o total, Qs. Si
los gases de combustión no se enfrían tanto y el agua contenida en el combustible queda al estado de vapor, se
tiene el poder calorífico inferior o neto, Qi.
Naturalmente que Qs es mayor que Qi en la cantidad requerida para evaporar el agua presente y la formada por la
combustión. Por ejemplo, para el combustible sobre base de trabajo:
Qs – Qi = 25.1 (W + 9H)
kJ/kg
Donde W y H están dados en porcentaje.
En los cálculos prácticos se debe utilizar Qs o Qi según que el calor de los productos de combustión se utilicen
hasta temperaturas por debajo del punto de condensación o no. En los hornos metalúrgicos, generalmente los
gases de combustión se eliminan por las chimeneas a temperaturas mayores a los 100 ºC. de modo que se emplea
mas frecuentemente el poder calorífico inferior.
2.1.3 Temperatura de combustión
La energía liberada durante la combustión provoca una elevación de la temperatura de la llama producida hasta
un valor máximo. La temperatura alcanzada depende del poder calorífico del combustible, la velocidad de liberación y disipación de energía, así como de la cantidad de productos de combustión, El aire es la fuente de oxígeno
más barata, pero el nitrógeno contenido en él, al constituir tres cuartos del aire en volumen, es el principal componente de los productos de combustión, su acción es disminuir la temperatura de llama al actuar como un diluyente. Para lograr altas temperaturas se puede utilizar aire enriquecido con oxigeno, o incluso oxígeno puro, como en el caso de la soldadura oxiacetilénica.
En las llamas reales, la temperatura real de combustión es afectada por algunos factores que no dependen enteramente del combustible como:
-
Las pérdidas de calor producidas por el paso de ciertas cantidades de calor a los objetos (horno, cámara
de combustión, concentrados de mineral cargados al horno, escorias y metal, gases de combustión y proceso, etc.) que rodean al lugar de combustión.
-
El efecto de la combustión incompleta.
-
El efecto de las reacciones de disociación, por ejemplo:
ΔH = 21 589 kJ/m3
2 H2O = 2 H2 + O2
La temperatura máxima teóricamente obtenible al quemar una mezcla de combustible y aire, es la temperatura
calculada asumiendo que el proceso de combustión es adiabático, donde el sistema no gana ni pierde calor de los
alrededores, es decir, sin tomar en cuenta los factores mencionados anteriormente para las llamas reales.
-7-
En términos de balance térmico a presión constante, la temperatura adiabática de llama puede calcularse sustituyendo los términos adecuados en la expresión:
=
Calor sensible en
los productos de
combustión
Calor sensible en el
combustible
y el aire
+
Calor producido por
la combustión
Las temperaturas de las llamas reales están generalmente en el rango del 48 al 75% de la temperatura adiabática
de llama calculada.
TABLA 2.1 Temperaturas adiabáticas teóricas de llama, TLL, para varios combustibles [1].
ANALISIS SECO, %
COMBUSTIBLE
CO2
Gas natural
Gas de horno de coquizar
Gas pobre
Gas de alto horno
Gas de agua
0.8
9.7
12.5
2.5
CO
6.0
19.0
25.4
43.5
CH4
84.7
28.2
2.8
C2H4
C2H6
9.4
H2
53.0
13.5
3.5
47.3
0.2
0.7
O2
0.6
N2
1.6
12.1
54.8
58.6
4.4
Qi
TLL
kJ/m3
ºC
34 837
15 947
4 769
3 428
10 395
2 080
2 055
1 810
1 425
2 260
kJ/kg
32 750
28 866
23 020
40 496
ºC
2 215
2 180
2 060
2 105
% EN PESO
Carbón
Carbón
Lignito (seco)
Petróleo
C
78.9
70.0
59.9
86.8
H
5.02
5.0
9.4
10.2
O
4.27
8.0
18.6
N
1.86
2.0
1.2
S
1.18
2.0
2.7
2.0
Ceniza
7.81
13.0
12.2
2.1.4 Comportamiento durante el calentamiento
Se refiere a los cambios físicos y químicos que sufre el combustible al calentarlo. En relación a estas propiedades,
se distinguen dos tipos de combustibles:
-
Térmicamente estables.
Térmicamente inestables
El combustible térmicamente inestable se descompone al elevarse la temperatura dando como resultado gases,
restos coquizados, etc. Casi todos los combustibles sólidos, especialmente la leña y carbones jóvenes, pertenecen
a este grupo. Los líquidos nunca arden como tales: su combustión exige que antes se vaporices; estos vapores son
el verdadero combustible que se mezcla en ciertas proporciones con el oxígeno del aire. Esta vaporización previa
requiere un calor inicial y para proporcionarlo ha de situarse a su inmediación un medio auxiliar capaz de suministrarlo por conducción o radiación, el que una vez que ha hecho arder el líquido puede retirarse porque su propia combustión sirve para continuarla. Deben manejarse con sumo cuidado los combustibles líquidos que se volatilizan a temperatura ordinaria, pues son extremadamente peligrosos. El alcohol y la gasolina pertenecen a esta
clase.
-8-
Los combustibles térmicamente estables son generalmente los gaseosos y los artificiales (carbón de madera con
bajo contenido de material volátil, coke, etc.).
2.2
Descripción de los combustibles
La siguiente tabla muestra una clasificación de las sustancias combustibles:
TABLA 2.2 Clasificación de los combustibles por su origen
DIVISIÓN
GENERAL
Líquidos
COMBUSTIBLES
PRIMARIOS O NATURALES
Carbón antracita
Carbón bituminoso
Lignito
Turba
Madera
Petróleo
Gaseosos
Gas natural
Sólidos
COMBUSTIBLES SECUNDARIOS
MANUFACTURADOS
RESIDUOS O DESHECHOS
Restos de madera
Destilación: Coke
Bagazo de caña
Semicoke
Desperdicios de maíz,
cebada, trigo, arroz
Carbón vegetal
Productos de destilación
Gasolina
del carbón:
Kerosene
Alquitrán
Alcohol
Benzol
Fuel oil
Naftaleno
Nafta
Aceites vegetales
Gases de alto horno
Gas natural reformado
Gases de proceso de
GLP
refinación del petróleo
Butano
Gas de hulla
Propano
Acetileno
2.2.1 Combustibles sólidos
El carbón (con sus diferentes variedades), la leña (biomasa), los residuos sólidos urbanos, etc., son representantes
típicos de los combustibles sólidos.
El carbón de origen mineral es un combustible fósil sólido, formado a partir de vegetales antiguos –incluyendo
árboles, helechos y musgos- que crecieron en pantanos y ciénagas o a lo largo de las costas. Generaciones de esas
plantas murieron y fueron enterradas gradualmente bajo capas de sedimentos. A medida que el peso de los sedimentos aumentaba, el material orgánico experimentaba un incremento de temperatura y de presión que provocaba
en él una serie de estados de transición. El material orgánico originario, que era rico en carbono, hidrógeno y
oxígeno, se enriquecía en carbono e hidrógeno y se hacía más pobre en oxígeno.
Las sucesivas etapas en la formación del carbón son turba (materia vegetal parcialmente carbonizada), lignito
(carbón blando de color parduzco o negro con un bajo contenido en carbono), carbón subbituminoso (carbón
blando con contenido medio de carbono), carbón bituminoso (carbón blando con un contenido más alto en carbono y más bajo en humedad que el carbón subbituminoso), y antracita (carbón duro con un contenido muy alto en
carbono y muy bajo en humedad). Como la antracita es el carbón más rico en carbono y con menor contenido de
humedad, es el de más alto valor energético.
-9-
Aunque el carbón desempeñó en su día el papel primordial entre todos los combustibles, hoy en día ha sido desplazado por los combustibles líquidos y gaseosos. Sin embargo, como las reservas de carbón siguen siendo las
más importantes de todos los combustibles (con excepción de los nucleares), van cobrando importancia las nuevas tecnologías de hidrogenación y gasificación, que permiten obtener combustibles líquidos y gaseosos, a partir
de aquellos en forma sólida.
Los carbones se clasifican según el grado de metamorfismo en la serie desde el lignito a la antracita. En la tabla
2.3 se muestra el sistema de clasificación adoptado por la American Society for Testing and Materials D 388 –
77. El poder calorífico sobre base húmeda y el carbón fijo sobre base seca, si ambos están libres de materia mineral, constituyen las bases de este sistema.
TABLA 2.3 Clasificación de carbones por categorías [2].
CARBONO, %
CLASE
Antracita
Bituminosa
Subbituminosa
Lignítica
GRUPO
MATERIA VOLATIL, %
Q
kJ/kg
Igual o
Menor
Mayor
Igual o
Igual o
Menor
mayor que
que
que
menor que
mayor que
que
Metaantracita
98
…
…
2
Antracita
92
98
2
8
Semiantracita
86
92
8
14
Baja volatilidad
78
86
14
21
Volatilidad media
69
78
22
31
32 564
A de alta volatilidad
…
69
31
…
30 238
32 564
B de alta volatilidad
…
…
…
…
26 750
30 238
C de alta volatilidad
…
…
…
…
24 420
26 750
Carbón bituminoso de:
Carbón subbituminoso A
…
…
…
24 420
26 750
Carbón subbituminoso B
…
…
…
22 100
24 420
Carbón subbituminoso C
…
…
…
19 306
22 100
Lignito A
…
…
…
19 654
19 306
Lignito B
…
…
..
14 654
Para clasificar carbones según la categoría, se utilizan las fórmulas de Parr:
CF' 
100 (CF  0.15 S)
100  (W  1.08 A  0.55 S)
MV’ = 100 – CF’
Q' 
100 (Q  50 S)
100  (1.08 A  0.55 S)
F' 
100 F
100  (M  1.1A  0.1S)
En donde W, CF, A y S son porcentajes en peso, sobre base húmeda, respectivamente, de la humedad, el carbono
fijo, las cenizas y el azufre; CF’ y MV’ son porcentajes en peso, sobre base seca libre de materia mineral, respectivamente, del carbono fijo y el material volátil; Q y Q’ son poderes caloríficos en Btu/lb (x 2326 = J/kg), respectivamente, sobre base húmeda no libre de materia mineral y una base húmeda libre de materia mineral.
- 10 -
En la siguiente tabla, se muestran los análisis típicos de algunos combustibles sólidos.
TABLA 2.4 Análisis típicos de madera, turba y carbones [1].
CLASE DE COMBUSTIBLE
ANÁLISIS INMEDIATO, %
MV
Madera
Turba
Lignito
Carbón subbituminoso
Carbón bituminoso
Carbón semibituminoso
Carbón semiantracita
Carbón antracita
26.1
35.3
27.6
27.1
14.5
8.5
1.2
CF
A
11.2
22.9
44.8
62.6
75.3
78.6
88.2
6.0
7.2
3.3
7.1
8.2
11.3
7.5
W
56.7
34.6
24.3
3.2
2.0
3.4
2.8
ANALISIS FINAL, %
S
0.6
1.1
0.4
1.0
2.3
0.6
0.9
H
6.3
8.3
6.6
6.1
5.2
4.1
3.6
1.9
C
49.5
21.0
42.4
55.3
78.0
80.0
78.4
88.4
N
1.1
1.1
0.6
1.1
1.2
1.2
1.0
0.6
O
43.1
63.0
42.1
33.8
7.5
4.2
4.9
4.4
El coque es el material infusible, sólido y celular que queda después de la carbonización del carbón, alquitrán,
residuos de petróleo y varios otros materiales carbonaceos. Las variedades de coque, aparte del de carbón, se
identifican en general, agregándole una palabra para indicar su origen, por ejemplo, coque de petróleo. Para indicar el tipo de proceso mediante el cual se fabrica un coque, se utiliza también un adjetivo, por ejemplo, coque de
horno.
El coque más utilizado en la industria metalúrgica, es el coque de alta temperatura, (900 a 1 150 ºC), que se lo
fabrica por destilación de carbón bituminoso. Cerca del 99% de este tipo de coque se hace en hornos de recuperación del tipo ranura y el resto en panales y otros tipos de hornos. Los altos hornos de hierro, utilizan cerca del
90% de la producción y el resto va fundidoras y plantas de gas.
El coque de alta temperatura tiene de 0.6 a 1.4% de material volátil, 7.5 a 10.7% de cenizas, azufre de 0.6 a 1.1%,
y una densidad aparente de 0.8 a 0.99%.
El carbón vegetal es el residuo que queda después de la destilación destructiva de la madera. Absorbe humedad
con facilidad y contiene a veces 10 a 15% de agua. Además suele tener aproximadamente 2 a 3% de ceniza y un
poder calorífico de 5 185 a 7 000 kJ/kg.
El carbón vegetal boliviano proviene de las zonas boscosas de los departamentos de Tarija, Chuquisaca y Santa
Cruz, donde se lo fabrica por pirólisis de la madera proveniente de troncos de árboles que se producen en estas
zonas; entre los más utilizados están el urundel, soto, sevil, quebracho, algarrobo y puca puca. El rendimiento del
proceso de carbonización está entre 300 a 350 kg de carbón por tonelada de madera carbonizada, lo que significa
que es necesario deforestar una gran cantidad de bosque para satisfacer la demanda de carbón, con el consiguiente riesgo para el ecosistema de estas regiones.
La composición de los combustibles sólidos se expresa corrientemente por medio del “análisis inmediato”,
(ASTM D-271), que expresa el análisis en base a los siguientes componentes:
Humedad (W), obtenida por secado de una muestra de un gramo durante una hora a 105 ºC.
Material volátil (MV), pérdida en peso de la muestra de un gramo calentado durante 7 minutos a 950 ºC en ausencia de aire.
Ceniza (A), residuo después de la combustión completa de la a 700 – 750 ºC.
- 11 -
Carbono fijo (CF), el porcentaje de carbono fijo es 100 menos la muestra suma de los porcentajes de humedad,
material volátil y cenizas. Representa la porción de elemento carbono presente en el combustible útil para la producción de calor o para ser utilizado como reductor en el proceso metalúrgico.
La determinación del poder calorífico de un combustible sólido se la realiza experimentalmente en equipos denominados calorímetros, siendo el más utilizado el calorímetro adiabático de Parr.
Existen fórmulas empíricas que permiten el cálculo del poder calorífico a partir del análisis elemental y su contenido de humedad, así podemos mencionar:
Fórmula de Mendeleyev para carbón:
Qs = 339 C + 1 256 H + 109 (S – O)
kJ/kg
Fórmula de Dulong para carbón:
Qs = 339 C + 1 421 (H – O/8) + 92 S – 2 291 (9H + W)
kJ/kg
Madera combustible:
Qs = 387 C + 1 160 H – 144.9
kJ/kg
Qs = 372 C + 1 154 H – 139.4 O
kJ/kg
Qs = 364 C + 1 092 H – 136 O
kJ/kg
Qs = 358 C + 1 072 H – 134
kJ/kg
Qs = 352 C + 1 051 H – 132 O
kJ/kg
Turba:
Carbón café:
Carbón bituminoso:
Antracitas:
En todos los casos, el poder calorífico inferior se puede calcular a partir de:
Qi = Qs – 25 (9H + W)
kJ/kg
Para el cálculo, los contenidos de cada uno de los componentes deben reemplazarse en las fórmulas en porcentaje
en peso.
2.2.2 Combustibles líquidos
Los combustibles han probado ser ventajosos en muchas aplicaciones metalúrgicas. Presentan ventajas en cuanto
a su manejo, almacenamiento y transporte por tuberías, además de un poder calorífico elevado.
La mayor parte de los combustibles líquidos se derivan del petróleo crudo. El petróleo se formó principalmente a
partir de antiguas plantas y bacterias microscópicas que vivieron en el océano y mares de agua salada. Cuando
esos microorganismos murieron y cayeron al fondo marino, se mezclaron con agua y sedimentos y formaron un
barro rico en compuestos orgánicos. A medida que las capas de sedimentos se iban acumulando sobre ese fango
orgánico, el barro se iba calentando y aumentando la presión a la que estaba sometido, formando un esquisto o
lodolita, transformándose el material orgánico en petróleo y gas natural.
En ocasiones, el petróleo y el gas natural podían llenar lentamente los pequeños agujeros de las rocas porosas
cercanas, que los geólogos llaman piedras almacén. Como esas rocas, por lo general, estaban llenas de agua, el
líquido y los hidrocarburos gaseosos (que son menos densos y más ligeros que el agua), ascendían a través de la
corteza de la tierra, recorriendo a veces largas distancias. Una parte de esos hidrocarburos podía encontrar una
- 12 -
capa impermeable de roca en un anticlinal, un domo de sal, una trampa de falla o una trampa estratigráfica. La
roca impermeable puede aprisionar los hidrocarburos, creando un depósito de petróleo y gas natural.
Los fluidos y los gases capturados en estas trampas geológicas suelen estar separados en tres capas: agua (densidad más alta, capa superior), petróleo (capa media) y gas natural (densidad baja, capa superior).
El petróleo crudo contiene una variedad de hidrocarburos, tanto de cadena abierta como de cadena cerrada o
cíclica. Por ejemplo los hidrocarburos de cadena abierta incluyen la parafina o hidrocarburos saturados comenzando con el metano (CH4) y que tienen la fórmula CnH2n + 2, las olefinas (CnH2n) y la serie acetilénica (CnH2n-2).
Cualquier petróleo crudo contiene hidrocarburos de todos los tipos, y cada tipo puede estar representado por
muchos compuestos individuales de variados pesos moleculares y números de átomos de carbón por molécula.
La composición química de los petróleos da contenidos de carbono entre 83 y 88%, e hidrógeno entre 10 al 13%,
siendo los petróleos más densos los más altos en carbono y más bajos en hidrógeno. El azufre es sólo unas cuantas décimas de porcentaje en muchos petróleos combustibles, pero puede exceder el 1% en los combustibles residuales más pesados. Cuando se usan petróleos combustibles para procesos metalúrgicos, en donde el azufre recogido por la carga puede ser importante, puede haber especificaciones especiales en cuanto al contenido de azufre.
El oxígeno puede ser del orden del 1% y el nitrógeno es usualmente una fracción de 1%. El agua y el sedimento
se determinan generalmente como una parte de las especificaciones de compra y juntos pueden ser tan elevados
como 2% en los petróleos combustibles densos.
Los petróleos combustibles se compran y venden sobre una base volumétrica, siendo la unidad estándar un galón
norteamericano (3.7853 litros), medido a 60 ºF (15.6 ºC). Un barril o tambor, son 42 galones (158,983 litros).
Como las diferentes fracciones petrolíferas contienen una gran cantidad de especies químicas, resulta improcedente caracterizar cada fracción por su composición. El factor de caracterización más importante para designar
una fracción petrolífera es la densidad. Para ello se emplean los grados API (Instituto Amnericano del Petróleo),
definidos por la fórmula:
ºAPI = 141.5  131.5
SG
Siendo SG el peso específico relativo de la sustancia respecto al agua, medidos ambos a 60 ºF.
Las fracciones petrolíferas son fundamentalmente mezclas de hidrocarburos y según sea su masa volumétrica o
ºAPI, variará la relación másica de carbono-hidrógeno. También un tercer componente, el azufre, se halla en
mayor proporción en las fracciones más pesadas.
El Instituto Americano del Petróleo ha propuesto una serie de fracciones petrolíferas con distintos ºAPI, que
abarca los posibles combustibles de la refinería. En la tabla 2.5 se reproduce esta clasificación adaptada a unidades SI.
TABLA 2.5 Clasificación de los combustibles líquidos de refinerías, según API.
ºAPI
SG
%S
% inertes
C/H
Qs MJ/kg
Qi MJ/kg
0
1.076
2.95
1.15
8.8
41.17
39.12
5
1.037
2.35
1.00
8.55
41.84
39.68
10
1.000
1.80
0.95
8.06
42.54
40.26
15
0.966
1.35
0.85
7.69
43.22
40.82
- 13 -
20
0.934
1.00
0.75
7.65
43.89
41.36
25
0.904
0.7
0.7
7.17
44.52
41.89
30
0.876
0.40
0.65
6.79
45.08
42.36
35
0.850
0.30
0.60
6.50
42.54
42.75
El poder calorífico de petróleos puede ser calculado, en ausencia de una determinación en bomba calorimétrica,
usando la siguiente relación:
QS = 51.91 – 8.79.(SG)2 – {0.5191 – 0.0879.(SG)2.(W + A + S)} + 0.0942S
MJ/kg
Para cálculos aproximados:
QS ≈ 59.91 – 8.79.(SG)2
MJ/kg
Para el cálculo del calor específico de petróleos se puede usar la fórmula:
Cp 
1.69  0.0034 T
SG
kJ/kg.ºK
Otra propiedad importante de los combustibles líquidos es la viscosidad, ya que de ella depende la facilidad de
transporte por tubería y la pulverización necesaria para la combustión. Se distingue entre la viscosidad dinámica
y viscosidad cinemática, que es la anterior dividida por la densidad del fluido. Es corriente el uso de unidades
convencionales como los grados Engler o los segundos Saybolt para expresar la viscosidad.
La unidad de viscosidad cinemática en el sistema SI es el m2/s que equivale a 106 centistokes. La viscosidad
dinámica es el Pa.s, que equivale a 103 centipoises.
Para la determinación experimental de estas propiedades, se recomienda al alumno revisar las guías de laboratorio de MET 1110, Técnicas Experimentales en Metalurgia.
TABLA 2.6 Fracciones principales del petróleo.
INTERVALO DE
EBULLICIÓN, ºC
Menos de 0
0 – 50
50 – 100
70 – 150
150 – 300
Mas de 300
COMPOSICIÓN
C1 – C4
C5 – C7
C6 – C8
C6 – C9
C10 – C16
C16 – C18
C18 – C20
C21 – C40
Más de C40
FRACCIÓN
APLICACIONES
Gas
Eter de petróleo
Ligroína
Gasolina
Kerosene
Gasoil
Lubricante
Parafina
Residuo
Combustible gaseoso
Disolventes
Disolventes
Combustible para motores
Combustible para aeronaves y diesel
Combustible diesel, petróleo para craqueo
Lubricantes, aceites minerales, craqueo
Parafina para velas, papel parafinado
Alquitrán, asfalto, impermeabilización
2.2.3 Combustibles gaseosos
Se conoce como combustible gaseoso, a cualquier mezcla gaseosa empleada para generar energía por combustión
en usos domésticos o industriales.
Los combustibles gaseosos están formados principalmente por hidrocarburos, es decir, compuestos moleculares
de carbono e hidrógeno. Las propiedades de los diferentes gases dependen del número y disposición de los átomos de carbono e hidrógeno de sus moléculas. Todos estos gases son inodoros en estado puro, igual que ocurre
con el monóxido de carbono (gas tóxico) que a veces contienen. Por eso es corriente añadir compuestos de azufre
al gas comercial; estos compuestos, que a veces están presentes en forma natural en el gas, tienen un olor desagradable y sirven para advertir un escape en las tuberías o en los aparatos de gas. Además de sus componentes
combustibles, la mayoría de los combustibles gaseosos contienen cantidades variables de nitrógeno y agua.
- 14 -
Los combustibles gaseosos poseen cierto número de ventajas sobre otros combustibles: limpieza y ausencia de
cenizas, facilidad de manejo, facilidad de control, flexibilidad y buenas características de combustión.
Los combustibles gaseosos se clasifican, según normas internacionales, en familias de acuerdo con la propiedad
característica Indice de Wobbe, que se define por:
WS 
QS
d
Siendo Qs el poder calorífico superior en MJ/m3N, y d el peso específico del gas relativo al aire.
Las diferentes familias y grupos según el índice de Wobbe se muestran en la siguiente tabla:
TABLA 2.7 Clasificación internacional de los gases combustibles.
FAMILIA
DENOMINACIÓN
VALOR DE W
Primera
Grupo a
Grupo b
Grupo c
Gases manufacturados
Gas de ciudad
Gas de coquería
Hidrocarburos – aire
23.8 – 31.4
23.8 – 28.1
25.9 – 31.4
23.8 – 27.2
Segunda
Grupo H
Grupo L
Gases naturales
De alto índice de Wobbe
De bajo índice de Wobbe
41.2 – 58.0
48.1 – 58.0
41.2 – 47.3
Tercera
Gases licuados de petróleo
77.4 – 92.4
La determinación de las propiedades características de un combustible gaseoso se realiza fácilmente a partir de su
composición molar (o volumétrica). En las aplicaciones técnicas se obtiene suficiente precisión suponiendo que
los gases se comportan como ideales. Según esto, el poder calorífico de una mezcla de gases se calcula por:
Qmezcla = Σ Qj * Xj
Siendo Xj la fracción molar (o volumétrica) del componente j, y Qj su poder calorífico en MJ/m3N. Para la densidad relativa se aplica una fórmula similar.
TABLA 2.8 Valores de densidad relativa, poder calorífico superior e inferior para gases usuales.
COMPONENTE
FORMULA
NOMBRE
CH4
Metano
C2H6
Etano
Propano
C3H8
Normal – butano
n-C4H10
Iso – butano
i-C4H10
Hidrógeno
H2
Monóxido de carbono
CO
Nitrógeno
N2
Oxígeno
O2
Dióxido de carbono
CO2
Agua
H2O
- 15 -
d
0.5539
1.0832
1.5224
2.0067
2.0067
0.0696
0.9671
0.9672
1.1048
1.5195
0.6220
Qs
MJ/m3N
Qi
MJ/m3N
39.829
69.759
99.264
128.629
128.257
12.789
12.618
35.807
63.727
91.223
118.577
118.206
10.779
12.618
2.2.3.1 Gas natural
Es un energético natural de origen fósil, que se encuentra normalmente en el subsuelo continental o marino. El
gas natural se acumula en bolsas entre la porosidad de las rocas subterráneas. En ocasiones, el gas natural queda
atrapado debajo de la tierra por rocas sólidas que evitan que el gas fluya, formándose lo que se conoce como
yacimiento o depósito. En algunos depósitos, el gas natural aparece acompañado de petróleo y en otros únicamente por pequeñas cantidades de otros hidrocarburos o gases.
Los países industrializados tornan sus ojos hacia el gas natural como fuente de energía, cuyas características son
mucho más benignas para el medio ambiente, y que además de proporcionar energía, es la materia prima para
infinidad de industrias.
En la actualidad, 23,4% de la energía que consume el mundo proviene del gas natural, y se espera que para el
2015 su importancia en la estructura global de consumo pase del tercer al segundo lugar. Los precios del energético acompañarán este crecimiento. La revista The Economist, estima que el gas puede sobrepasar al petróleo
como la más importante fuente de energía en el año 2025.
Por esta razón, la búsqueda de yacimientos de gas natural en el mundo se ha intensificado. En los últimos 20 años
prácticamente las reservas probadas de gas se han duplicado, pero aún más, aumenta su consumo. Las reservas
mundiales en el 2003, llegaban a 5.300 TCF (International Energy Outlook, 2004), con Rusia como el país con
más reservas (1.700 TCF).
La matriz energética boliviana está basada fundamentalmente en el uso de petróleo y derivados; 61% de las necesidades energéticas del país son cubiertas por este combustible, que en muchos casos, como en el de diesel, tiene
que ser importado debido a que la producción del país no cubre la demanda interna.
Petroleo
14%
Gas
Hidraulica
25%
61%
Figura 2. Matriz energética boliviana
El gas ocupa el segundo lugar en consumo, y cubre el 25% del requerimiento energético nacional; a pesar de que
Bolivia tiene una de las mayores reservas de gas del subcontinente.
Actualmente, con las últimas certificaciones realizadas por la consultora estadounidense De Golyer & MacNaughton y que fueron confirmadas por YPFB, se ha confirmado que Bolivia posee 48,7 trillones de pies cúbicos
como reservas certificadas.
- 16 -
Del total de las reservas probadas y probables, en Tarija se encuentran el 87.5%, en este departamento se encuentran los campos más grandes: San Alberto, San Antonio, Margarita e Itaú; quedando el 12.5% distribuido entre
Santa Cruz (9.3%), Cochabamba (1.9%) y Chuquisaca (1.3%).
La relación de producción y consumo de gas natural en el país es:
Capacidad de producción y entrega actual de gas natural 35 millones m3/día.
1.2 millones m3/día
Consumo interno:
Exportaciones:
Brasil
Argentina
Total consumo:
23 millones m3/día
6.5 millones m3/dia
30.7 millones m3/día
Que equivalen a 0.396 TFC por año.
La proyección de consumo en los siguientes 20 años es:
Demanda al Brasil
7,92 TCF
Demanda Cuiabá
1,29 TCF
Demanda Argentina
6.83 TCF
Demanda Paraguay
1.29 TCF
Conexión de gas domiciliario
0.92 TCF
Mercado Interno
1.43 TCF
Total en 20 años
19.68 TCF
Puesto que las reservas probadas son 28.7 TCF, se dispondrían efectivamente de 9.02 TCF, sólo el 31.4% de las
reservas probadas, para utilizarlos en petroquímica, GTL, termoeléctricas y el desarrollo de la siderurgia, entre
otros usos. Este valor podrá ir creciendo en la medida en que las inversiones en exploración vayan certificando
como probadas las reservas probables.
Las prospecciones geológicas realizadas han determinado que el 49% del territorio boliviano es considerado área
de interés petrolero, con grandes posibilidades de incrementar las reservas certificadas de gas. Inclusive la zona
altiplánica es considerada como potencialmente gasífera.
El gas natural está compuesto por una serie de hidrocarburos, principalmente metano (CH4). Se define de acuerdo
con su composición y propiedades fisicoquímicas, que son diferentes para cada yacimiento.
El uso de gas natural como energético, tiene las siguientes ventajas:
-
Económico, el promedio de ahorro es del 30% en la categoría doméstica con respecto al gas licuado de
petróleo.
-
Ecológico, su combustión genera menos dióxido de carbono por su mayor porcentaje relativo de hidrógeno que, al combustionarse, produce agua. Además, la combustión prácticamente no genera hollín ni
dióxido de azufre.
-
Cómodo; está permanentemente disponible, llega a la industria y al hogar a través de tuberías subterráneas.
- 17 -
-
Limpio, la combustión no arroja sustancias contaminantes y se ventila muy bien porque su composición
química hace que sea más ligero que el aire.
-
Eficiente, ya que se consume el 100% del producto.
Una forma de clasificar el gas natural de acuerdo a su composición química es la siguiente:
Gas ácido: Gas que contiene más de 6 mg/m3N de H2S
Gas dulce: Gas que contiene menos de 6 mg/m3N de H2S
Gas húmedo: Gas con un contenido de gasolina mayor a 13 cm3 por m3N de gas.
Gas seco: Gas que tiene un contenido de gasolina menor a 13 cm3 por m3N de gas
Gas rico: Gas que contiene una cantidad significativa de compuestos más pesados que el etano, alrededor
de 95 cm3 de C3H8 por m3N de gas.
Gas pobre: Gas que contiene pocas cantidades de propano y más pesados.
La tabla 2.9 proporciona una composición promedio del gas natural. De acuerdo con esta tabla, el gas natural
boliviano debe ser clasificado como “gas rico y dulce”. Esta ausencia de sulfuro de hidrógeno, H2S, es importante
porque el gas puede ser reformado sin peligro para el catalizador, y obtener mezclas de H2 y CO para ser utilizadas en la industria metalúrgica como reductor, o producir H2 de alta pureza para la industria de fertilizantes nitrogenados. Sin embargo, la presencia de elevadas cantidades de CO2 puede ser perjudicial en el uso de gas natural
reformado como reductor de óxidos metálicos sino se realiza un tratamiento previo.
TABLA 2.9 Composición química promedio del gas natural boliviano.
COMPONENTE
FÓRMULA
Metano
Etano
Propano
i-butano
n-butano
i-pentano
n-pentano
n-hexano
n-heptano
n.octano
n-nonano
n-decano
Nitrógeno
Anhídrido carbónico
CH4
C2H6
C3H8
C4H10
C4H10
C5H12
C5H12
C6H14
C7H16
C8H18
C9H20
C10H22
N2
CO2
% VOLUMEN
87.42
5.65
2.26
0.37
0.90
0.25
0.25
0.22
0.12
0.06
0.02
0.02
0.73
1.72
Las propiedades físicas calculadas del gas natural de la composición mostrada en la tabla anterior son:
- 18 -
TABLA 2.10 Propiedades físicas calculadas para el gas natural boliviano.
PROPIEDAD
VALOR
Peso molecular promedio
Composición (en peso)
Carbono
Hidrógeno
Peso específico relativo respecto al aire
Densidad, en condiciones normales
Poder calorífico superior
Poder calorífico inferior
Calor específico a 0 ºC
Indice de Wobbe
UNIDADES
17.81
gr/mol
73.29
23.81
0.618
0.78
42.63
38.47
2.049
54.22
%
%
kg/m3N
MJ/m3N
MJ/m3N
kJ/kg.ºC
MJ/m3N
El valor del índice de Wobbe del gas (54.22 MJ/m3N), que clasifica a los combustibles gaseosos de acuerdo a
normas internacionales (ISO – 6976), clasifica al gas natural boliviano en el grupo H, que corresponde a gases
naturales de alto índice de Wobbe (48.1 a 58 MJ/m3N), lo que muestra su alta calidad.
2.2.3.2 Gas licuado de petróleo (GLP)
Es un hidrocarburo derivado del petróleo, que se obtiene durante el proceso de refinación de otro derivado denominado gasolina. El GLP se produce en estado de vapor pero se convierte en líquido mediante compresión y
enfriamiento simultáneos de estos vapores, necesitándose 273 litros de vapor para obtener 1 litro de líquido.
Cabe señalar, que dependiendo del país, se puede aplicar el mismo término a productos diferentes; por ejemplo
en Estados Unidos y Canadá, se conoce como GLP al combustible constituido por propano prácticamente en un
100%, con algunas trazas de otros componentes los cuales se consideran de alto valor, por lo que se separan de la
corriente de líquidos y se emplean como materia prima para sintetizar componentes de alto octano que se usan en
la formulación de gasolinas.
El GLP se encuentra en estado gaseoso a condiciones normales, sin embargo, para facilitar su almacenamiento y
transporte, se licua y se maneja bajo presión para mantenerlo en ese estado.
El gas al ser comprimido y enfriado se condensa hasta convertirse en líquido, en cuyo estado se le transporta y
maneja desde las refinerías, a las plantas de almacenamiento y de estas a los usuarios, ya sea por auto tanques o
recipientes portátiles (garrafas), de donde sale el gas en estado de vapor para poder ser utilizado en hornos, calderas, aparatos domésticos y vehículos.
El análisis cromatográfico del GLP producido en el país es:
Propano
i-butano
n-butano
i-pentano
n-pentano
64.70%
9.70%
23.50%
1.10%
1.00%
Entre las principales características del GLP se pueden mencionar:
-
Permanece en estado gaseoso a temperatura normal y presión atmosférica.
Se almacena y transporta en estado líquido manteniéndola bajo presión en los tanques.
No tiene color, es transparente como el agua al estado líquido.
- 19 -
-
No tiene olor cuando se produce y licúa, pero se le agrega una sustancia de olor penetrante para detectarlo cuando existen fugas, llamado etil mercaptano.
Es muy inflamable, cuando se escapa y se vaporiza se enciende violentamente con la menor llama o
chispa.
Es excesivamente frío, porque cuando se licuó se le sometió a muy bajas temperaturas de bajo 0 ºC, por
lo cual, el contacto con la piel produce siempre quemaduras de la misma manera que lo hace el fuego.
En estado líquido, 1 litro de GLP es equivalente a 273 litros en estado gaseoso.
No es venenoso ni corrosivo y se disuelve en muchos otros productos.
Punto de ebullición:
Butano:
Propano:
GLP
- 0.5 ºC
- 41 ºC
- 20 a -25 ºC
Peso específico:
- En estado gaseoso: 2 gr/l en CN.
- En estado líquido, 0.5 g/cm3
2.3 Comparación entre diferentes tipos de combustibles
Uno de los factores que incide notablemente en los costos de producción de una industria es el precio que se paga
por los combustibles.
Todos los países en vías de desarrollo se encuentran inmersos en una carrera para obtener los combustibles más
baratos, con el fin de posibilitar una situación competitiva de sus industrias en el mercado internacional, tal es así
que los gobiernos de las repúblicas de Brasil, Argentina, Chile y Perú han instruido a sus respectivas administraciones, otorgar la mas alta prioridad a los proyectos de construcción para el suministro o captación de gas natural.
La elección de este combustible se debe a sus características de composición química, combustión limpia que
hacen que disminuyan los costos de mantenimiento, su poder calorífico y finalmente su bajo precio.
Comparado con otros combustibles, éste tiene las siguientes características calóricas:
TABLA 2.13 Comparación de propiedades de diferentes tipos de combustibles
COMBUSTIBLE
Diesel Oil
Fuel Oil
Kerosene
Gasolina especial
GLP
Gas natural
Q
9 096 kcal/l
8 995 kcal/l
8 800 kcal/l
8 187 kcal/l
6 409 kcal/l
8 893 kcal/m3
Q
PRECIO
10 972 kcal/kg
11 050 kcal/kg
11 128 kcal/kg
11 667 kcal/kg
11 833 kcal/kg
Precios de
En caso de decidir un cambio de combustible en equipos de combustión instalados o por instalar y en vehículos
motorizados, se puede utilizar como referencia la siguiente tabla cuyos valores medios son muy aproximados.
- 20 -
TABLA 2.14 Consumo equivalente en gas natural de otros combustibles.
COMBUSTIBLE
1 litro de diesel oil
1 litro de fuel oil
1 litro de gasolina
1 litro de kerosene
1 litro de GLP
CONSUMO EQUIVALENTE
34.54 PC de gas natural
34.16 PC de gas natural
31.01 PC de gas natural
33.72 PC de gas natural
49.94 PC de gas natural
Referencias
1.
Reinhardt Schumann; “Ingeniería Metalúrgica”, Tomo I, capítulo IV.
2.
Perry, R., Green, D., Maloney, J.; “Manual del Ingeniero Químico”, sexta edición, McGraw Hill, Méjico,
2001.
3.
Márquez Martinez, Manuel; “Combustión y quemadores”, Marcombo S. A., España, 1989.
4.
Kasantev, E. I.; “Industrial Furnaces”, Mir Publishers, Moscú, 1977.
5.
Gutierrez, R., “Investigación sobre la fabricación del carbón vegetal con maderas bolivianas”; Tesis de grado, Universidad Técnica de Oruro, 1979.
6.
Miranda Barreras, A., Oliver Pujol, R.; “La combustión”, Ediciones CEAC, España, 1996.
7.
Brizuela, E., Romano, S., “Combustión”, Departamento de Ingeniería Mecánica y Naval, Facultad de Ingeniería UBA, España, 2003.
8.
Liebermann, E., Lema, R., “Hornos y combustibles”, Parte I, segunda edición, Ediciones FNI, Oruro - Bolivia, 1975.
9.
El –Mahallawy, F., El Din Habik; “Fundamentals and Technology of Combustión”, Elsevier, Inglaterra,
2002.
10. Baukal, Ch.; “Heat Transfer in Industrial Combustion”; CRC Press, Estados Unidos, 2000.
11. Iriarte, Gregorio; “El Gas, ¿exportar o industrializar?”; Grupo Editorial Kipus, Bolivia, 2003.
12. Semanario Pulso; “Gas: debate nacional”; Ed. Pulso, La Paz, 2004.
13. Doria Medina, S., “Gas: Bolivia, socia minoritaria”, Serie Propuestas Nº 1, 2003.
14. Ministerio de Minería e Hidrocarburos, “Gas para el desarrollo”, La Paz, 2003.
15. Escalera Saúl, “Industrialización del gas natural boliviano”. Primer Congreso Nacional de Estudiantes de
Ingeniería Industrial, Cochabamba, Julio 2002.
16. Cámara Nacional de Industrias, Centro de Promoción de Tecnologías Sostenibles; “Industrialización del gas
natural boliviano, ¿sueño o realidad?, La Razón, La Paz, 16 de noviembre de 2003.
17. Medinacelli Torrez, Elisa, “Necesidad de exportar el gas natural boliviano”; Tesina Colegio Bethania, Oruro, 2003.
18. Echazú, Alberto; “¡El Gas no se regala!”, Universidad Nacional Siglo XX, 2003.
19. Artículo Primero, Revista de Debate Jurídico y Social Nº 15; CEJIS, Santa Cruz – Bolivia, 2004.
- 21 -
20. Salas, Antezana, y otros; “Pilares del Desarrollo, Energía – Siderurgia – Ciencia de Materiales”, Revista
Metalúrgica Nº 28, Oruro - Bolivia, 2007.
21. Velasco H. Carlos; “Gas natural y Metalurgia”; “Segundo Congreso Nacional de Ingeniería”, Oruro, 2004.
22. Velasco H. Carlos; “El gas natural boliviano y el desarrollo de la industria siderúrgica nacional”; VI Congreso Nacional de Metalurgia y Ciencia de Materiales, Cochabamba, 2004.
23. Ley de Hidrocarburos 3058, Bolivia, 17 de mayo de 2005.
- 22 -