Manejo_combustibles - Area Metropolitana del Valle de Aburra

1
MANEJO DE COMBUSTIBLES
Autores:
ANDRÉS A. AMELL ARRIETA
PROFESOR UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA
GRUPO GASURE - FACULTAD DE INGENIERÍA
FRANCISCO J.CADAVID SIERRA
PROFESOR UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA
GRUPO GASURE - FACULTAD DE INGENIERÍA
HENRY COPETE L.
ESTUDIANTE UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA
GRUPO GASURE - FACULTAD DE INGENIERÍA
Un proyecto de:
PROYECTO USO EFICIENTE Y RACIONAL DE ENERGÍA
EN EL MARCO DEL PROGRAMA DE PRODUCCIÓN MÁS LIMPIA
DEL ÁREA METROPOLITANA EN EL VALLE DE ABURRÁ
Ejecuta unión temporal:
Uso eficiente y racional de energía
LIBRO 5 - MANEJO DE COMBUSTIBLES
Una publicación de:
Área Metropolitana del Valle de Aburrá
RICARDO SMITH QUINTERO
Director
MARÍA DEL PILAR RESTREPO MESA
Subdirectora Ambiental
Autores
ANDRÉS AMELL ARRIETA
Profesor de la Universidad de Antioquia
Grupo GASURE - Facultad de Ingeniería
FRANCISCO J. CADAVID SIERRA
Profesor de la Universidad de Antioquia
Grupo GASURE - Facultad de Ingeniería
HENRY COPETE L.
Estudiante de la Universidad de Antioquia
Grupo GASURE - Facultad de Ingeniería
Ejecuta
Universidad Nacional de Colombia
Universidad Pontificia Bolivariana
Universidad de Antioquia
EQUIPO DE TRABAJO:
Dirección del Proyecto
Farid Chejne Janna, I.M., Ph.D
Universidad Nacional de Colombia
Coordinación del Proyecto
Universidad Nacional de Colombia: Sara Catalina Cárdenas Castillo, I.Q.
Universidad Pontificia Bolivariana: Katerina María Sánchez Parra, I.Q, MSc.
Universidad de Antioquia: Andres Amell Arrieta, I.M., MSc.
Interventoría
María Helena Gómez Gallo, I.S. Especialista
Profesional Universitario Área Metropolitana del Valle de Aburrá
Gustavo Londoño, I.Q. MSc.
Profesional Universitario Área Metropolitana del Valle de Aburrá
Coordinación de la Publicación:
Oficina Asesora de Comunicaciones
Área Metropolitana del Valle de Aburrá
Fotografía portada
Grupo GASURE
Impresión
Centro de Publicaciones
Universidad Nacional de Colombia
Sede Medellín
REGISTRO ISBN
978-958-44-1378-9
Primera Edición
Impreso en Medellín, Colombia - 2007
Está prohibida la reproducción parcial o total de ésta publicación y mucho menos para fines comerciales.
Para utilizar información contenida en ella se debe citar fuente.
Contenido
3
Presentación
Introducción
7
9
1.
1.1.
1.2.
1.3.
Generalidades
Paradigmas de conversión energética vigentes
Implicaciones del manejo de los combustibles
Requerimientos para el manejo de los combustibles
11
11
12
13
2.
2.1.
2.2.
2.3.
2.4.
2.4.1.
2.4.2.
14
14
15
16
18
18
2.4.5.
Propiedades de la combustión
Naturaleza y estructura de los combustibles fósiles
¿Qué es la combustión?
Nuevas tendencias en combustión
Clasificación de las propiedades de combustión de los combustibles
Conceptos básicos
Propiedades de los combustibles relacionadas con el requerimiento
de aire y los productos de combustión
Propiedades relacionadas con las condiciones para que ocurra
la combustión
Propiedades relacionadas con el contenido energético de un
combustible
Otras propiedades de interés
3.
3.1.
3.1.1.
3.1.2.
3.1.3.
3.2.
3.3.
Combustibles disponibles en el Valle de Aburrá
Tipos de combustibles
Combustibles gaseosos
Combustibles líquidos
Combustibles sólidos
Calidad de los combustibles utilizados en el Valle de Aburrá
Aspectos legislativos
29
29
29
31
33
36
37
4.
4.1.
4.2.
4.3.
4.4.
4.5.
Tipos, diagnóstico y optimización de la combustión
Parámetros en un sistema de combustión
Tipos de combustión
Diagnóstico de una combustión
Diagnóstico de la combustión en sistemas que utilizan carbón
Optimización de la combustión
44
44
51
53
58
59
2.4.3.
2.4.4.
18
22
23
26
Bibliografía
62
Anexos
Ejercicio 1: Posibilidad de presentarse combustión
Ejercicio 2: Ocurrencia de combustión
Ejercicio 3: Seguridad frente a límite de inflamabilidad
Ejercicio 4: Estequiometría
Ejercicio 5: Diagnóstico de combustión
Ejercicio 6: Combustión
Ejercicio 7: Ahorro de energía
63
63
64
64
64
65
65
67
Uso eficiente y racional de energía
Lista de tablas
Tabla 1.
Tabla 2.
Tabla 3.
Tabla 4.
Tabla 5.
Tabla 6.
Tabla 7.
Tabla 8.
Tabla 9.
Tabla 10.
Tabla 11.
Tabla 12.
Tabla 13.
Tabla 14.
Tabla 15.
Tabla 16.
Tabla 17.
Tabla 18.
Tabla 19.
Tabla 20.
Tabla 21.
Tabla 22.
Tabla 23.
Tabla 24.
Efecto de la altitud sobre el contenido másico de oxígeno en el aire
Requerimiento de aire y formación de productos de combustión
para algunos combustibles comerciales
Propiedades de algunos combustibles puros relacionadas con los
requerimientos de aire y formación de productos de combustión
Propiedades de algunos combustibles relacionadas con las
condiciones para que ocurra la combustión
Factores de conversión
Poderes caloríficos e Índices de Wobbe de combustibles gaseosos
puros
Poderes caloríficos de combustibles comerciales
Composición de los principales gases naturales distribuidos y
que se proyectan distribuir en Colombia
Composición elemental y propiedades de combustión
del Fuel Oil No. 2
Propiedades de combustibles líquidos usados en calderas y hornos
en algunas industrias del Valle de Aburrá. Adaptado de [12]
Composición de algunos carbones utilizados en empresas del
Valle de Aburrá. Adaptado de [12]
Composición típica y poder calorífico de las maderas y el cisco de
café utilizado como combustible en algunas industrias del Valle de
Aburrá. Adaptado de [12]
Requisitos de calidad de las gasolinas básicas que se distribuyan
para consumo en áreas y ciudades con población menor de
500.000 habitantes y que, además, se utilicen para mezcla con
etanol anhidro para producir gasolinas oxigenadas
Requisitos de calidad de las gasolinas oxigenadas con etanol
anhidro que se distribuyan para consumo en ciudades con población
mayor de 500.000 habitantes
Requisitos de calidad del combustible diesel corriente (ACPM)
Contenido de azufre en el combustóleo (Fuel Oil Nº6)
Calidad del carbón mineral o sus mezclas para su utilización
como combustible. Fecha de vigencia: Enero 1º de 1998 hasta
enero 1º de 2003
Especificaciones de calidad del gas natural
Especificaciones estándar de los Gases Licuados del Petróleo (GLP)
según la norma Americana ASTM D1835
Tipos de combustión
Constante a para utilizar en la fórmula de Siegert, dependiendo
del tipo de carbón
Incidencia de las emisiones de CO sobre la eficiencia de combustión
Concentraciones de O2 y CO2 para la combustión óptima del GN
y el Fuel Oil, con diferentes excesos de aire
Efecto de la temperatura de los gases de combustión sobre la
eficiencia de combustión
16
20
21
23
24
26
26
30
32
33
35
36
38
39
40
40
40
42
43
52
59
60
60
61
5
Lista de figuras
Figura 1.
Figura 2.
Figura 3.
Figura 4.
Figura 5.
Figura 6.
Figura 7.
Figura 8.
Figura 9.
Figura 10a.
Figura 10b.
Figura 11.
Figura 12.
Figura 13a.
Figura 13b.
Figura 14.
Figura 15.
Figura 16.
Evolución y prospectiva de la canasta energética mundial
Paradigma de conversión energética basado en la
combustión
Paradigma basado en la conversión directa de la energía
química del combustible
Estructura típica de los combustibles fósiles y relación
hidrógeno – carbono
Imágenes de la combustión del fuel oil, con y sin llama
(10 % O2)
Tipos de combustión según la composición del comburente
Sistema de combustión sin condensación
Sistemas de combustión con condensación
Representación esquemática de un diagrama de combustión
Composición química del combustible
Composición y temperatura de humos secos
Diagnóstico de combustión para el gas natural de La Guajira
Ubicación del punto de operación en el diagrama de
combustión
Composición química del combustible
Composición y temperatura de humos secos
Diagnóstico de combustión para el diesel de caldera
(fuel oil N°2)
Ubicación del punto de operación en el diagrama de
combustión
Ahorro de combustible en función de la temperatura de
proceso.
10
10
13
15
17
18
46
47
52
54
54
55
55
56
56
57
57
61
Uso eficiente y racional de energía
7
USO EFICIENTE Y RACIONAL DE LA ENERGÍA: UNA ALTERNATIVA
PARA MEJORAR LA COMPETITIVIDAD Y LA PRODUCTIVIDAD DE
LAS EMPRESAS DEL VALLE DE ABURRÁ
El Área Metropolitana del Valle de Aburrá continúa en la labor de asesorar y acompañar
a los diversos sectores económicos bajo su jurisdicción, a través de programas que les
permita a las organizaciones industriales, comerciales y de servicios, fortalecerse en
términos de productividad, competitividad y desempeño ambiental, con beneficios para
las empresas y para la región.
En esta oportunidad la Entidad da continuidad a esfuerzos anteriores en materia de
Producción Más Limpia, con un proyecto que se concentra en un tema identificado como
prioritario: La energía. Se seleccionó un grupo con amplia trayectoria en la materia,
una alianza de tres reconocidas instituciones educativas: La Universidad Nacional de
Colombia, la Universidad Pontificia Bolivariana y la Universidad de Antioquia, las cuales
conforman una unión temporal para la ejecución y operación del proyecto “Uso Eficiente
y Racional de Energía para empresas que hacen parte de Programa de Producción Más
Limpia que viene liderando el Área Metropolitana del Valle de Aburrá”.
La energía, en cualquiera de sus formas, constituye un eslabón estratégico para la
consolidación del desarrollo económico del país, así como para lograr un mejor nivel de
vida. También, el uso de la energía eléctrica o térmica representa uno de los costos que
tiene mayor incidencia en los procesos productivos de las industrias, en la fabricación de
un producto o en la prestación de un servicio determinado Es por ello que los empresarios
deben optimizarla, evitar desperdicios en su uso y propender por una eficiente gestión y
administración de este recurso, acciones que implican cambios en la forma de pensar y
actuar, de aquellas personas que están directamente relacionadas con el manejo de los
procesos consumidores de energía.
Es frecuente encontrar que en las empresas no se mide el consumo de energía relacionado
con el producto y se carece de indicadores que permitan valorar el costo por unidad de
producción o servicio; adicionalmente, no se controla el tipo de potencia de una máquina
y su tiempo de operación, en relación con el valor del consumo energético. Lo mismo
sucede con el uso de la energía térmica, no se determina el consumo de combustible,
sus características, su eficiencia, la cantidad requerida y los impactos generados, entre
otras variables.
La eficiencia en el uso de la energía, elemento imprescindible para la reducción de los
costos de producción en las empresas, puede ser lograda por dos vías: Una costosa
y fácil, a través de la implementación de tecnologías productivas de bajo consumo; y
otra económica y difícil, pues se deben realizar cambios de hábitos en el uso final de
la energía, con la tecnología existente, lo que implica transformaciones en la forma de
pensar y actuar de aquellas personas que están directamente relacionadas con el manejo
de los procesos que consumen energía.
Parece lógico agotar primero todos los potenciales de reducción de costos de energéticos
que ofrece el segundo camino, a propósito de la situación actual de alto nivel de
competitividad por precio y calidad del producto a la que están sometidas las empresas,
antes de comenzar a invertir significativamente. Pero es importante tener en cuenta
que no se logrará ningún avance, sin consolidar un sistema que garantice el óptimo
aprovechamiento y la evaluación real de la recuperación del dinero invertido.
Uso eficiente y racional de energía
Es un hecho que muchos de los problemas asociados con la energía en las empresas
no son sólo de índole técnica, también se deben al desconocimiento y a la estructura
creada para coordinar los esfuerzos y obtener un sistema sostenible de su uso racional.
En general, una pequeña o mediana empresa no maneja y controla sus consumos
energéticos, no conoce a fondo la relación entre energía consumida y producción (así
como energía no asociada a la producción).
De ahí el interés del Área Metropolitana del Valle de Aburrá en motivar la práctica de Uso
Racional de Energía, partiendo de acciones como la selección de la fuente energética,
para optimizar su producción, transformación, transporte, distribución, y consumo,
incluyendo su reutilización cuando sea posible. De esta manera, se constituye en una
medida efectiva para propiciar el crecimiento económico, el desarrollo social y, por tanto,
el bienestar nacional, contribuyendo a la sostenibilidad del país.
En este sentido, el Congreso de la República, mediante la expedición de la Ley 697 de
2001, declaró al Uso Racional y Eficiente de la Energía – URE – como asunto de interés
social, público y de conveniencia nacional. Con la promulgación de esta Ley se sentaron
las bases jurídicas necesarias para que el Estado pueda organizar, fomentar e impulsar
el criterio URE y promover la utilización de las energías alternativas de manera efectiva
en Colombia.
Igualmente, se cuenta con el Decreto 3683 de 2003, por medio del cual se reglamenta
la Ley 697 de 2001 y se crea una Comisión Intersectorial. El objetivo del Decreto es
reglamentar el uso racional y eficiente de la energía, para asegurar el abastecimiento
energético pleno y oportuno, la competitividad del mercado energético colombiano, la
protección al consumidor y la promoción de fuentes no convencionales de energía, dentro
del marco del desarrollo sostenible y respetando la normatividad vigente de ambiente y
los recursos naturales renovables.
Para que la cultura URE quede definitivamente instaurada en el país, se requiere que
el mercado de servicios energéticos comience a funcionar, incluyendo tanto los actores
de oferta (empresas de consultoría, universidades) como de la demanda (sectores
productivo, financiero), creándose así un nuevo segmento de mercado energético en
Colombia. Justamente a esta iniciativa le apuesta La Entidad a través del proyecto
de asesoría y acompañamiento a las empresas que hacen parte de los convenios de
Producción más Limpia.
Esta publicación hace parte de un conjunto de 10 libros en temas como: ¿A dónde va a
caer este globo?; Energía, economía y medio ambiente; Administración de los recursos
energéticos; Uso eficiente de la energía: Conceptos termodinámicos básicos, Manejo de
combustibles; Uso eficiente de la energía en sistemas térmicos; Uso eficiente de la energía
eléctrica; Tecnologías de conversión y recuperación de la energía: Convencionales y
nuevas tendencias; Los sistemas energéticos industriales y su relación con la salud
ocupacional y Análisis energético industrial del Valle de Aburrá.
Este material es una herramienta que orienta y favorece la aplicación de la Producción Más
Limpia, una alternativa que va en la dirección de la autorregulación y el entendimiento de
la dimensión ambiental como un factor que incide de manera positiva en la competitividad
de las empresas.
RICARDO SMITH QUINTERO
Director
9
Introducción
Desde el descubrimiento del fuego hasta nuestros días la combustión ha
jugado un papel trascendental en el desarrollo de la cultura material y el confort
de vida. Con el descubrimiento del fuego el hombre pudo disponer del calor
en un sitio determinado y en cualquier instante, para calefacción y atenuación
de las inclemencias del clima, para cocción de alimentos lo cual favorecerá la
diversificación de su canasta alimenticia y su metabolismo, para la fusión de
los metales que le permitió la fabricación de artefactos aplicables en múltiples
actividades (agricultura, caza y defensa) y para ahuyentar a los animales y
salvaguardar su seguridad.
El hombre descubre el fuego al observar cuando los rayos actuaban como
fuente de ignición para encender los bosques. Y fue así como, a diferencia
de otros animales que ante la ocurrencia de este fenómeno huían, aprendió
a dominarlo y utilizarlo. Al principio los seres humanos o sus antepasados
tuvieron que depender del rayo para encender el fuego, si este se apagaba,
tenían que pedirlo a una tribu vecina o esperar que cayese otro rayo, tardaron
miles de años en aprender a encenderlo, es decir, encontrar mecanismos de
ignición para no depender del rayo, lo cual se logró utilizando el frotamiento de
utensilios.
Por un largo periodo la humanidad depende de la biomasa (madera y huesos
de animales) como la fuente principal de combustible, la escasez de madera en
Inglaterra en el siglo XVII inducirá la búsqueda en el subsuelo de un combustible
sustituto, como lo fue el carbón. La inundación de las minas de carbón y la
necesidad de drenar para extraer este energético hicieron necesaria la invención
de la bomba atmosférica, iniciándose con ella una serie de invenciones que
finalmente darían origen a la máquina de vapor de Watt y con ella la revolución
industrial. Establecido el carbón y la máquina de vapor a partir de finales del
siglo XVIII como los principales soportes del paradigma energético vigente
en esa época, la combustión seguirá siendo en el siglo XIX el fenómeno que
garantiza la liberación en forma de calor de la energía primaria, para usarse
directamente o transformarse a otras formas de energía.
El advenimiento de la era del petróleo y con ello el establecimiento de un
nuevo paradigma energético a finales del siglo XIX, el cual se consolida con
la maduración tecnológica de los motores de combustión interna (Diesel, Otto
y posteriormente la turbina a gas) y equipos térmicos de combustión y de
transferencia de calor, advertirá también que la combustión continuará siendo
el mecanismo que garantice la liberación de energía primaria durante el siglo
XX.
Por razones tecnológicas, ambientales, económicas y geopolíticas los expertos
en prospectiva energética vaticinan para los primeros cuarenta años del siglo
XXI una transición de una base energética soportada en el petróleo, hacia una
Uso eficiente y racional de energía
basada en el gas natural inicialmente y posteriormente en el hidrógeno.
Aunque con la disponibilidad tecnológica de la celda de combustible (mecanismo
que convierte la energía química almacenada en un combustible en energía
eléctrica y calor mediante fenómenos electroquímicos), la combustión ya no será
el único mecanismo para la liberación de la energía química de un combustible y
su conversión a otras formas de energía, seguirá conservando su importancia, en
particular en aquellos sistemas y procesos que requieren de grandes cantidades
de energía.
En resumen, cuando se analiza la evolución y prospectiva energética de la
humanidad, se concluye que la combustión ha sido y será un fenómeno significativo
para el desarrollo económico, social y científico.
Como ilustración a continuación se presenta, en la figura 1, la evolución y
prospectiva de la canasta energética mundial.
Figura 1. Evolución y prospectiva de la canasta energética mundial [1].
Por mucho tiempo la combustión tuvo interés científico y tecnológico por su
incidencia en el diseño, optimización, eficiencia y economía de los sistemas de
conversión energética (máquinas de combustión interna y equipos térmicos). Más
recientemente debido a que los combustibles fósiles se constituyen en una de las
mayores fuentes de contaminación ambiental, el estudio de la combustión para
identificar los mecanismos físicos, químicos y térmicos de la formación y atenuación
de los contaminantes, se constituye en otra dimensión de la importancia científica
y tecnológica de este fenómeno.
11
1
Generalidades
1.1.
Paradigmas de conversión energética vigentes
Los combustibles fósiles representan actualmente la principal fuente de energía primaria
para la sociedad. Para disponer de la energía almacenada en los combustibles se requiere
de la realización de una serie de transformaciones energéticas, las cuales permiten
liberar la energía química de los combustibles y convertirla en formas que facilitan su
uso en los diferentes procesos y actividades requeridas por la sociedad y la economía.
Hasta hoy los mecanismos de conversión energética disponibles por la humanidad son:
Combustión
Liberación de calor
Conversión a otras formas de
energía
Conversión directa de la energía química de un combustible a electricidad y calor,
mediante un proceso electroquímico.
En la figura 2 se presenta un diagrama de flujo que indica las principales transformaciones
energéticas posibles que se pueden realizar a partir de la combustión de un combustible.
En este paradigma la conversión de la energía térmica a electricidad se realiza mediante
el principio de Inducción Electromagnética de Faraday, el cual establece que todo
conductor eléctrico en movimiento, en presencia de un campo electromagnético, genera
una corriente eléctrica.
Figura 2. Paradigma de conversión energética.
Uso eficiente y racional de energía
Las celdas de combustibles son mecanismos electroquímicos que convierten directamente
la energía química de un combustible en energía eléctrica, constituidas principalmente
por una capa de electrolito en contacto con un ánodo y un cátodo. En la figura 3 se
representa esquemáticamente una celda de combustible.
En una celda de combustible de membrana de intercambio protónico y ácido fosfórico se
realizan las siguientes reacciones electroquímicas:
Ánodo: H2 → 2H+ + 2eCátodo: ½ O2 + 2H+ + 2e- → H2O
Las principales características de una celda de combustible son las siguientes:
•
•
•
•
•
•
Alta eficiencia de conversión energética, entre 40 al 55% con base al poder calorífico
inferior.
Conversión directa de la energía, no hay combustión
No tiene partes móviles
Flexibilidad en el uso de combustible
Alta disponibilidad en unidades a baja temperatura
Buen comportamiento a cargas parciales
Figura 3. Paradigma basado en la conversión directa de la energía química del combustible.
1.2.
Implicaciones del manejo de los combustibles.
El uso de los combustibles en los procesos industriales implica que en su manejo se
satisfagan los siguientes requerimientos:
•
Garantizar las condiciones para que ocurra una combustión completa para liberar
toda la energía química almacenada en el combustible y aprovechar de forma
13
eficiente el calor liberado para usarlo directamente o transformarlo a otra forma de
energía. El control de la calidad de los combustibles, de la relación aire/combustible
y de la eficiencia de combustión, son los factores determinantes para garantizar su
manejo racional y económico.
•
Por ser los combustibles sustancias inflamables y los mecanismos de propagación de
la combustión fenómenos virulentos en condiciones no controladas, su manejo puede
comprometer la seguridad de personas y bienes, durante la etapas de transporte,
almacenamiento, distribución y uso en los procesos. El riesgo de combustiones
espontáneas durante el almacenamiento, de fugas durante el transporte y distribución,
de explosiones y detonaciones en las cámaras de combustión, han causado grandes
accidentes durante la historia del uso de los combustibles.
•
La combustión de los combustibles genera la formación y emisión de sustancias
contaminantes, que son causantes de grandes impactos ambientales como son el
Efecto Invernadero y el deterioro de la calidad del aire. La definición de políticas
públicas cada día más estrictas para el control de las emisiones contaminantes y el
aumento de la conciencia ciudadana por lo ambiental, plantean nuevos retos para el
manejo óptimo de los combustibles.
1.3.
Requerimientos para el manejo de los combustibles
El manejo eficiente y seguro de los combustibles requiere del conocimiento de los
siguientes asuntos:
Naturaleza y composición química de los combustibles: La composición química de
un combustible determina sus propiedades de combustión y es un factor determinante
para evaluar la calidad de estos. Su conocimiento permite un adecuado manejo de los
procesos de almacenamiento, combustión y control de las emisiones contaminantes.
La comercialización y uso de los combustibles exige el reporte permanente de la
composición química de los combustibles. La composición química de un combustibles se
determina mediante procesos cromatográficos, para los sólidos y líquidos se expresa en
composición elemental en masa y para los gases en composición molar o volumétrica.
Propiedades físicas y de combustión de los combustibles: El conocimiento de las
propiedades físicas y de combustión de los combustibles son requeridas para el diseño
y operación de los sistemas de almacenamiento, distribución y equipos de combustión.
Estas propiedades determinan, por ejemplo, los inconvenientes potenciales cuando en
un sistema de combustión se realizan sustituciones entre combustibles.
Mecanismos fluidodinámicos, térmicos y cinéticos de la combustión: La combustión
es un fenómeno en el que se combinan mecanismos de naturaleza fluidodinámica,
térmica y cinética. El diseño óptimo de un sistema de combustión y el control de las
emisiones contaminantes, pasa por el dominio de estos mecanismos.
Conocimiento de los sistemas de conversión energética: El manejo óptimo no sólo
depende de los asuntos anteriormente examinados; la configuración y características
de los equipos de combustión, también tienen una importante incidencia. Es posible
que disponiendo de un combustible de buena calidad y equipos inapropiados no se
garanticen operaciones en los procesos industriales de manera eficiente, segura y con
un control adecuado de las emisiones contaminantes.
Uso eficiente y racional de energía
2
Propiedades de la combustión
2.1.
Naturaleza y estructura de los combustibles fósiles
Son sustancias que al reaccionar con el oxígeno liberan calor y forman productos de
combustión. Los principales elementos constituyentes de un combustible son:
Carbono (C), Hidrógeno (H), Azufre (S), Oxígeno (O), Nitrógeno (N), Humedad (H2O),
Impurezas.
De estos elementos son combustibles el carbono, el hidrógeno y el azufre, quienes son los
responsables de la liberación de calor durante el proceso de combustión. Dependiendo
del tipo de combustible, se tienen diferentes relaciones carbono/hidrógeno, en su orden
esta relación es mayor en la siguiente secuencia: Carbón, petróleo, gas licuado del
petróleo y gas natural.
En la figura 4 se presenta la estructura típica de los combustibles fósiles y sus respectivas
relaciones carbono/ hidrógeno.
Sí bien el azufre es un elemento combustible, su presencia en la composición de un
combustible es indeseable, debido a que al reaccionar con el oxígeno forma dióxido
de azufre, compuesto que incide en la ocurrencia de lluvias ácidas y en la corrosión de
estructuras.
15
Figura 4. Estructura típica de los combustibles fósiles y relación hidrógeno – carbono
2.2.
Qué es la combustión?
La combustión es una reacción de oxidación en la que los elementos combustibles (C, H
y S) reaccionan con el oxígeno, liberándose calor y formando productos de combustión.
El calor liberado proviene de la energía química almacenada en las moléculas de los
combustibles.
El efecto luminoso que en algunos tipos de combustión se presenta es explicado por la
excitación de átomos y moléculas debido a las altas temperaturas. El volumen de gases
en el que ocurren las reacciones de oxidación con efecto luminoso se denomina llama.
Conviene aclarar que no todas las combustiones en la naturaleza van acompañadas del
fenómeno de llama, dependiendo de las temperaturas que se alcanzan en la zona de
combustión puede no tenerse efecto lumínico, así por ejemplo, en la combustión catalítica
del gas natural no se presenta llama, pero si se presentan reacciones de oxidación.
Como puede observarse, los dos actores de un proceso de combustión son el combustible
y el comburente (Oxígeno (O2)).
En el desarrollo científico y tecnológico de la combustión la mayor preocupación se ha
centrado en la disponibilidad, calidad y tratamiento de los combustibles; en relación con
el comburente se considera que está disponible en el aire. Sin embargo, la disponibilidad
y calidad del oxígeno para la combustión, incide en la ocurrencia óptima y segura de
ésta. Algunos factores que afectan la disponibilidad y calidad del O2 son:
•
El aumento de altura sobre el nivel del mar disminuye la presión parcial del O2,
reduciéndose su contenido másico, lo cual incide en la combustión incompleta del
carbono, en el caso de la combustión térmica convencional, en la tabla 1 se presenta
el efecto de la altitud sobre el contenido másico de O2.
Uso eficiente y racional de energía
Si se considera el aire seco, por cada mol de O2 existen 4.76 moles de aire, con la
presencia de otros compuestos que alteren esta composición, se presenta viciado
del aire, lo que repercute en la calidad y estabilidad de la combustión, esto en el caso
de la combustión térmica convencional. Una fuente frecuente de viciado del aire es
la recirculación de productos de combustión (CO2 y N2).
•
Tabla 1. Efecto de la altitud sobre el contenido másico de oxigeno en el aire [2]
Altitud (m)
Patm (bar)
T (K)
MO2 (Kg)
∆%
0
1500
2600
1.013
0.852
0.752
293
293
293
0.2803
0.235
0.2080
0
16.2
25.8
La presencia de un combustible y el comburente, no es condición suficiente para que
la combustión se inicie, auto - sostenga y propague, se requieren otras condiciones
complementarias para su ocurrencia, las cuales están asociadas con propiedades físicas
y químicas de la mezcla combustible y comburente.
Teniendo en cuenta las consideraciones anteriores, la combustión de un combustible ocurre
de manera sostenida cuando se den simultáneamente las siguientes condiciones:
•
Que estén presente combustible y comburente (oxígeno) en proporciones adecuadas,
ello está relacionado con que la mezcla combustible – comburente debe encontrarse
en su respectivo intervalo de inflamabilidad. Adicionalmente, se requiere que exista
un contacto óptimo entre las moléculas de combustible y comburente.
•
Que la mezcla combustible y comburente se energice hasta alcanzar su temperatura
de ignición o que el aire de combustión se encuentre a la temperatura de autoignición
del combustible. Estas condiciones están asociadas con tres propiedades
características de una mezcla combustible – comburentes como son: La energía, la
temperatura de ignición y la temperatura de autoignición.
Como puede observarse la ocurrencia y propagación de la combustión, dependerá de sí
se tienen condiciones coincidentes con tres propiedades de combustión: Intervalos de
inflamabilidad, energía de ignición, temperatura de ignición y temperatura de autoignición,
las cuales se estudiarán más adelante.
2.3.
Nuevas tendencias en combustión
Desde el descubrimiento del fuego hasta muy avanzado el desarrollo tecnológico de
los sistemas de combustión en el siglo XX, el comburente utilizado ha sido el aire
normal, constituído aproximadamente en volumen por 21% oxígeno y 79% nitrógeno,
a temperatura ambiente o precalentado a una temperatura que depende de los
requerimientos específicos de un proceso determinado. El aumento o disminución del
contenido de oxígeno con respecto a la composición normal, ha venido haciendo posible
el desarrollo de dos nuevos tipos de combustión: La oxicombustión y la combustión
sin llama, las cuales presentan diferencias térmicas y cinéticas muy importantes con
respecto a la combustión convencional con aire normal.
17
La oxicombustión se logra utilizando como comburente oxígeno puro o aire enriquecido,
este último se obtiene mediante la separación del nitrógeno del aire mediante membranas,
alcanzándose actualmente composiciones hasta 35% O2 y 65% N2 [3, 4]. Algunas ventajas
comparativas de este tipo de combustión son las siguientes:
•
Incrementa la productividad de los procesos.
•
Aumenta la eficiencia térmica.
•
Reduce el costo de los equipos debido a la reducción del volumen de los gases
de combustión.
•
Mejora la calidad de los productos que se requieren calentar y/o transformar
La combustión sin llama se caracteriza porque las reacciones de oxidación toman lugar
en todo el volumen de la cámara y no se presenta efecto luminoso, ella se obtiene
cuando la composición de oxígeno en el comburente es menor del 21% y la mezcla
combustible - comburente se caliente a la temperatura de autoignición del combustible.
La condición de concentraciones de oxígeno menores del 21% generalmente se logra
cuando los gases de escape se recirculan para mezclarse con el aire de combustión [5
– 7]. Las principales ventajas que presenta la combustión sin llama son las siguientes:
•
Se reducen significativamente las emisiones de óxidos nitrosos y monóxido de
carbono.
•
Se obtiene una transferencia de calor uniforme, con lo que se incrementa la
productividad de los procesos.
•
El tamaño de los equipos térmicos se reduce hasta en un 25% con respecto a los
convencionales.
En la figura 5 se presenta una imagen de la combustión del fuel oil, sin y con llama. En
la figura 6, dependiendo de la concentración del oxígeno, se presentan los tres tipos de
combustión que se pueden obtener, como puede observarse la temperatura en la zona
de combustión se incrementa con el aumento del oxígeno.
Figura 5. Imágenes de la combustión del fuel oil, con y sin llama (10% O2) [5]
Uso eficiente y racional de energía
Figura 6. Tipos de combustión según la composición del comburente [5].
2.4.
Clasificación de las propiedades de combustión de los combustibles
2.4.1. Conceptos básicos
Para el manejo de los combustibles en sus aplicaciones energéticas, es necesario
conocer acerca de la disponibilidad energética por cantidad de combustible, de las
condiciones para que ocurra la combustión, de los requerimientos de aire para tener una
combustión completa, de la cantidad y composición de productos de combustión. Estos
requerimientos pueden ser fácilmente obtenidos cuando se conocen las propiedades de
combustión de la mezcla combustible – comburente utilizada, de ahí la importancia de
este tema en la ingeniería de combustión.
En general, cuando con la menor incertidumbre posible se conoce la composición química
de un combustible, las principales propiedades de combustión pueden ser estimadas
con buena precisión. Los avances tecnológicos en cromatografía gaseosa y líquida,
como también en las técnicas para la caracterización físico-química de sólidos, están
permitiendo la minimización de las incertidumbres en la determinación de la composición
química de los combustibles.
Por mucho tiempo existió la tendencia de determinar directamente mediante métodos
experimentales algunas propiedades de combustión, pero por razones de costo y debido
a los avances en la determinación de la composición química, la tendencia actual es la
estimación a partir del conocimiento de la composición química, particularmente en el
manejo de los combustibles gaseosos.
2.4.2. Propiedades de los combustibles relacionadas con el requerimiento de aire y los
productos de combustión
A continuación, a partir de la combustión estequiométrica del metano se ilustra cómo
19
se determinan propiedades de combustión relacionadas con el requerimiento de aire y
la cantidad de productos de combustión, las cuales pueden ser expresadas en término
molar, másico y volumétrico [2]. Al plantearse la reacción estequiométrica del CH4, se
establece:
CH 4 + 2O2 + 7.52 N 2 → CO2 + 2 H 2O + 7.52 N 2
(1)
En términos volumétricos se tiene:
•
•
Para quemar estequiométricamente un m3 de CH4 se requieren 9.52 m3 de aire.
Al quemar estequiométricamente un m3 de CH4 se obtienen: un m3 de CO2, 2 m3 de
H2O, 8.52 m3 de humos secos y 10.52 m3 de humos húmedos.
Teniendo en cuenta los resultados anteriores se establecen las siguientes propiedades
de combustión volumétricas para los combustibles:
Volumen estequiométrico de aire (Va): Es el volumen normal o estándar de aire
requerido para quemar estequiométricamente un m3 de combustible, se expresa en m3
aire/m3 combustible.
Volumen de dióxido de carbono (VCO2): Es el volumen de dióxido de carbono normal
o estándar, producido por la combustión estequiométrica de un m3 de combustible, se
expresa en m3 CO2/m3 combustible.
Volumen de agua (VH2O): Es el volumen de vapor de agua normal o estándar producido
por la combustión estequiométrica de un m3 de combustible, se expresa en m3 H2O/m3
combustible.
Volumen de humos secos o poder fumígeno seco (Vf): Es el volumen de humos
secos normal o estándar producido por la combustión estequiométrica de un m3 de
combustible, se expresa en m3 humos secos/m3 combustible
Volumen de humos húmedos o poder fumígeno húmedo (Vf´): Es el volumen de
humos húmedos normal o estándar producido por la combustión estequiométrica de un
m3 de combustible, se expresa en m3 humos húmedos/m3 combustible.
Las anteriores propiedades también pueden ser definidas en términos másicos, así:
Porcentaje máximo de CO2. Es la relación entre el volumen de CO2 y el volumen de
humos secos en porcentaje, en condiciones de combustión estequiométrica este valor
es máximo.
De la reacción estequiométrica del metano, se obtienen:
(2)
Uso eficiente y racional de energía
En la tabla 2 se presenta la información sobre combustibles comerciales.
Tabla 2. Requerimiento de aire y formación de productos de combustión para algunos
combustibles comerciales [2, 8]
Aire
estequiométrico
(mc) kgaire/kgcomb
Masa de humos
(mh) kghumos/kgcomb
Porcentaje
Máximo de CO2
(gCO2)
Fuel oil No. 2
14.10
15.02
15.70
Fuel oil No. 6
13.44
14.36
16.70
Propano comercial
Carbón
Bituminoso
Carbón Antracita
15.35
16.64
13.80
10.81
11.71
18.50
9.92
10.78
19.90
GN de Guajira
16.66
17.60
11.70
Coque
10.00
10.94
20.40
Combustible
En la tabla 3, se presentan las propiedades de combustión volumétricas y másicas para
los combustibles gaseosos puros, los cuales se obtienen planteando sus respectivas
reacciones estequiométricas.
38.08
38.08
2.38
2.38
C 3H 8
C4H10
C4H10
C 2H 4
C 3H 6
C 4H 8
C 2H 2
H2
CO
Butano Normal
Isobutano
Pentano Normal C5H12
C5H12
Propano
Isopentano
Etileno
Propileno
Butileno
Acetileno
Hidrogeno
Monóxido
Carbono
de
30.94
C 2H 6
Etano
11.90
28.56
21.42
14.28
30.94
23.80
16.66
CH4
Metano
9.52
Formula
Componente
Va
2.88
2.88
12.4
30.56
22.92
15.28
41.08
41.08
33.44
33.44
25.8
18.16
10.52
Vf´
2.88
1.88
11.4
26.56
19.92
13.28
35.08
35.08
28.44
28.44
21.8
15.16
8.52
Vf
14.97
14.84
14.84
14.75
14.75
14.43
14.43
14.42
13.51
26.38
16.6
16.38
16.38
16.25
16.25
15.71
15.71
15.71
14.2
35.32
3.45
15.22
17.02
3.45
15.91
mf
18.16
mf´
34.72
0.00
17.54
15.06
15.06
15.06
14.25
14.25
14.06
14.06
13.76
13.19
11.73
% max
de CO2
Tabla 3. Propiedades de algunos combustibles puros relacionadas con los requerimientos de aire y formación de productos de combustión [2]
21
Uso eficiente y racional de energía
2.4.3. Propiedades relacionadas con las condiciones para que ocurra la combustión
[2, 9]
Límite inferior de inflamabilidad (L.I.I): Es la relación mínima en porcentaje entre el
volumen de combustible y el volumen de la mezcla combustible - aire, para la cual esta
mezcla es inflamable, por debajo de este valor no existe propagación de la llama en
presencia de una fuente de ignición.
Límite superior de inflamabilidad (L.S.I): Es la relación máxima en porcentaje entre
el volumen de combustible y el volumen de la mezcla combustible – aire, para la cual
esta mezcla es inflamable, por encima de este valor no existe propagación de la llama
en presencia de una fuente de ignición. Los limites de inflamabilidad dependen de la
composición del combustible, presencia de inertes, temperatura y presión de la mezcla
combustible – oxidante y de la geometría del recinto donde ocurre la combustión. Un
aumento de la temperatura produce una disminución en el LII y una elevación en el LSI
es decir, se amplia el intervalo explosivo; el efecto del aumento de presión es similar
al de la temperatura; la presencia de inertes (CO2, N2) estrecha el intervalo explosivo
debido al aumento del LII y disminución del LSI.
Temperatura de ignición Tig : Es la temperatura mínima que debe alcanzar la mezcla
combustible – aire para que se inicie la combustión, se sostenga y autopropague, esta
propiedad se determina experimentalmente y depende de factores como la composición
química, la presión de la mezcla y la presencia de sensibilizadores e inhibidores.
Temperatura de autoignición Tai: Es la temperatura a la cual debe encontrarse la mezcla
combustible - aire, para que sin la necesidad de una fuente de ignición, la combustión se
inicie y autosostenga. Esta temperatura se determina experimentalmente.
En la tabla 4 se presentan los intervalos de inflamabilidad, temperatura de ignición y de
autoignición para varios combustibles.
23
Tabla 4. Propiedades de algunos combustibles relacionadas con las condiciones para que ocurra la
combustión [9]
Componente
Temperatura
Temperatura
de autoignición
de ignición (ºC)
(ºC)
Fórmula
LII
LSI
Metano
CH4
5.0
15.0
632
580
Etano
C 2H 6
3.0
12.5
472
490
Propano
C 3H 8
2.0
9.5
493
480
Butano Normal
C4H10
1.7
8.5
405
420
Pentano Normal
C5H12
1.4
7.8
284
310
Etileno
C 2H 4
2.7
32.0
490
490
Benceno
C 6H 6
1.4
7.1
565
600
Propileno
C 3H 6
2.0
10.05
557
460
Butileno
C 4H 8
1.6
9.4
443
385
Acetileno
C 2H 2
2.5
81.0
305
305
Hidrógeno
H2
4.0
75.0
572
570
Monóxido de
Carbono
CO
12.5
74.0
609
610
2.4.4. Propiedades relacionadas con el contenido energético de un combustible
El poder calorífico es la propiedad de combustión que informa acerca de la energía
disponible por cantidad de combustible, por lo que resulta de interés en las transacciones
comerciales, en los sistemas de transporte y distribución y en la especificación de las
tecnologías de conversión energética.
Poder calorífico superior (PCS). Se define como la cantidad de energía liberada
durante la combustión estequiométrica de un combustible y el agua. En los productos de
combustión se encuentra en fase líquida.
Poder calorífico inferior (PCI). Se define como la cantidad de energía liberada durante
la combustión estequiométrica y el agua. En los productos de combustión se encuentra
como vapor. La diferencia entre el poder calorífico superior e inferior es el calor latente
de vaporización del agua.
PCS = PCI + calor latente de vaporización del agua.
En los sistemas de combustión convencional donde no se implementan sistemas de
condensación para recuperar el calor latente de vaporización del agua, las pérdidas de
energía son del orden de 10%, 5% y 3% cuando se usen como combustibles gases con
contenido de hidrógeno y carbono, hidrocarburos líquidos y carbón, respectivamente.
Uso eficiente y racional de energía
El poder calorífico de un combustible gaseoso puede expresarse en diferentes formas,
molar, másica o volumétrica, así:
En la tabla 5 se presentan los factores de conversión para expresar los poderes caloríficos
másicos y volumétricos en los diferentes sistemas de unidades.
Tabla 5. Factores de Conversión
Volumen
1 m = 35.32 ft
1ft3 = 0.028317 m3
3
3
Energía
1 BTU = 1.055056 kJ
1 kJ = 0.947817 BTU
1 cal = 4.1868 J
1 J = 0.238845 cal
1 kWh = 860 kcal
1 kcal = 3.97 BTU
Masa
1 lbm = 0.453592 kg
1 kg = 2.20462 lbm
Potencia
1 BTU/s = 1.055056 kJ/s
1 HP = 2545 BTU/h
1 kW = 1.3410 HP
1 kW = 3412.85 BTU/h
Para los combustibles gaseosos cuando se conoce la composición química con buena
aproximación, lo cual es posible con los cromatógrafos actuales, se pueden estimar con
aceptable exactitud los poderes caloríficos, a partir de la utilización de algoritmos como
los descritos en la norma ISO 6947 y ASTM D4891-89(2001).
Cuando se maneja el poder calorífico volumétrico de un combustible gaseoso, es
conveniente precisar en que estado de referencia se específica. Sí es normal, la
temperatura y presión de referencia son 273 grados K y 1013 mbar, respectivamente; en
el estado estándar serán 288.5 grados K y 1013 mbar.
Para los combustibles líquidos, cuando se conoce la gravedad específica en grados API,
el poder calorífico superior se estima con la siguiente expresión [8]:
25
(3)
Donde S es la composición elemental de azufre en el combustible y API es la gravedad
específica en grados API. Conviene recordar que a mayor grado API el combustible
líquido tiene menor densidad y viceversa.
Para el carbón cuando se conoce el análisis último, mediante la formula teórica de
Dulong, los poderes caloríficos se determinan así [10]:
(4)
(5)
Donde H, O, S son las composiciones de Hidrógeno, Oxígeno y Azufre las cuales se
determinan mediante el análisis último del carbón.
Indice de Woobe (W). Para el manejo de los combustibles gaseosos se define el índice
de Woobe, como una propiedad que también informa acerca del contenido energético
en función de la composición química y de la cantidad de gas descargado por un orificio,
la cual es inversamente proporcional a la raíz cuadrada de la gravedad especifica. El
índice de Wobbe es la relación entre el poder calorífico del gas, ya sea superior o inferior,
y la raíz cuadrada de su densidad relativa. Es de especial interés cuando se estudia la
intercambiabilidad entre gases combustibles.
(6)
Densidad relativa (d). Es la relación entre la densidad del gas y la densidad del aire a
las mismas condiciones de presión y temperatura
(7)
En la tabla 6 se presentan los poderes caloríficos e índice de Wobbe de algunos
combustibles gaseosos puros y en la tabla 7 el poder calorífico de combustibles
comerciales.
Uso eficiente y racional de energía
Tabla 6. Poderes Caloríficos e Índices de Wobbe de combustibles gaseosos puros [3].
Componente
PCI
PCS
Índice de Wobbe
CH4
9.43
10.49
14.09
C 2H 6
C 3H 8
C4H10
C5H12
C 2H 4
C 3H 6
C 4H 8
C 2H 2
H2
CO
16.95
24.66
31.17
31.06
38.37
15.63
23.06
29.75
14.75
2.83
18.55
26.78
33.77
33.66
41.5
16.69
24.68
31.87
15.28
3.36
18.204
21.06
23.84
26.32
19.96
20.47
24.22
17.04
13.45
3.36
Fórmula
Metano
Etano
Propano
Butano Normal
Pentano Normal
Etileno
Propileno
Butileno
Acetileno
Hidrógeno
Monóxido de Carbono
Tabla 7. Poderes Caloríficos de combustibles comerciales [3, 8]
PCS
(kJ/kg)
PCI
(kJ/kg)
PCI/PCS
(kJ/kg)
Fuel oil No. 2
45365
42772
0.90
Fuel oil No. 6
42161
40053
0.95
Propano comercial
50178
45160
0.9
Carbón Bituminoso
32633
31654
0.97
Carbón Antracita
29493
28608
0.97
GN de Guajira
Coque
50070
45030
0.9
29516
28631
0.97
Combustible
2.4.5.
Otras propiedades de interés
Otras propiedades de interés para el manejo de los combustibles, para su transporte,
distribución, almacenamiento y combustión son las siguientes:
: Es la temperatura que alcanzan los productos
Temperatura de llama adiabática
de combustión cuando ésta se realiza en condiciones adiabáticas, si bien, esta temperatura
nunca se alcanza en una combustión real, es una propiedad importante para el estudio
de fenómenos térmicos.
27
La temperatura de llama adiabática es máxima cuando la combustión es estequiométrica,
disminuye con el defecto y exceso de aire. La máxima temperatura de llama adiabática
de los combustibles metano, etano, propano, acetileno, hidrógeno, aceite liviano y aceite
pesado, son respectivamente en grados centígrados las siguientes: 1918 °C, 1949 °C,
1967 °C, 2632 °C, 2045 °C, 2028 °C y 2028 °C.
Temperatura de rocío ( TR ): Es la temperatura a la cual se inicia la condensación del
vapor de agua presente en los productos de combustión, cuando el combustible contiene
hidrógeno. El conocimiento de esta propiedad es necesario para evitar la condensación
en los ductos de evacuación de humo y para el diseño de sistema de combustión con
recuperación de calor por condensación parcial o total del vapor. Para combustión
estequiométrica del metano, etano, propano, butano, acetileno e hidrógeno, a una presión
atmosférica como la de Medellín (852 mbar), la temperatura de rocío es 55.6 °C, 52.7
°C, 51.4 °C, 50.6 °C, 38.6 °C y 68.8 °C respectivamente [3]. La temperatura de rocío es
máxima para combustión estequiométrica y se disminuye con el exceso de aire.
Temperatura de rocío ácida: Cuando un combustible contiene azufre, su combustión
con el oxígeno forma dióxido de azufre, este compuesto aumenta la temperatura de rocío.
Por lo anterior, para combustibles con contenido de azufre tiene sentido definir esta
temperatura. Para los aceites liviano (Fuel Oil 2) y pesado (Fuel Oil 6), la temperatura es
de aproximadamente 143 °C y 160 °C, respectivamente [11].
En el manejo de los combustibles líquidos, además de las propiedades hasta aquí
descritas, se requiere también tener en cuenta las siguientes:
Gravedad específica (s) y gravedad API: La gravedad específica se define como la
relación entre la densidad del aceite y la del agua a iguales condiciones de presión y
temperatura. Las normas americanas toman como referencia 60 °F. La otra forma de
expresar la gravedad específica es en la escala API (American Petroleum Institute). La
siguiente expresión relaciona la gravedad específica y la gravedad API [8]:
s (60/60 ° F ) =
141.5
° API + 131.5
(8)
Para combustibles líquidos de uso industrial, las gravedades API oscilan desde cero
(0) hasta 44. Para el fuel oil # 6 oscila entre 12 °API y 16 °API y para el fuel oil #2 entre
30 °API y 34 °API. A mayor grado API se tiene un aceite más liviano.
Viscosidad cinemática: Mide la resistencia a fluir del combustible. Una viscosidad alta
origina problemas en la bomba de inyección, puede tapar inyectores y sobrepresurizar
el sistema. También influye en la forma de pulverización de los inyectores pues una alta
viscosidad genera una atomización pobre, lo cual incide en la calidad de la combustión,
particularmente en formación de hollín, mientras que una muy baja viscosidad puede
genera una mejor atomización [8].
Punto de inflamación: Mínima temperatura a la cual el vapor de un aceite produce una
llama, que se extingue inmediatamente, al ser expuesto a una pequeña llama estándar.
Es una medida de la tendencia de la muestra a formar una mezcla inflamable con el aire.
Es utilizado para temas de seguridad y en regulaciones de transporte. Puede dar una
Uso eficiente y racional de energía
idea de la peligrosidad del compuesto en situaciones extremas de temperatura y presión.
El punto de inflamación puede indicar la posible presencia de compuestos volátiles e
inflamables en un compuesto relativamente no volátil o inflamable, indicando la presencia
de contaminantes como gasolinas [8].
Punto de nube: Es la temperatura más alta a la cual el aceite tiende a opacarse por la
presencia de parafinas sólidas. El punto de nube indica la temperatura mínima a la que
se puede utilizar un producto para determinadas aplicaciones [8].
Punto de fluidez: El punto de fluidez está definido como la temperatura más baja a la
cual la muestra pierde la capacidad de fluir. Esta prueba es un indicativo para establecer
condiciones de operación para crudos y derivados. Para los combustibles de calderas, si
el rango de temperaturas de almacenamiento del combustible es muy bajo, las boquillas
del quemador pueden no recibir combustible y se detiene la operación [8].
29
3
Combustibles disponibles
en el Valle de Aburrá
Los combustibles disponibles en el Valle de Aburrá para uso industrial, principalmente
utilizados en la generación de calor en calderas y hornos, son [12]:
• El gas natural (GN) de la Guajira
• Los gases licuados del petróleo (GLP)
• El diesel de caldera
• El fuel oil N° 6
• El crudo de Rubiales
• El carbón
• El coque
• La madera
3.1.
Tipos de combustibles
3.1.1. Combustibles gaseosos
Gas Natural (GN): El GN está esencialmente constituido por metano (CH4), con una
pequeña proporción de otros hidrocarburos saturados como el etano (C2H6), propano
(C3H8) y butano (C4H10), también es posible la presencia en baja proporción de gases
inertes como el dióxido de carbono (CO2) y el nitrógeno (N2).
GAS NATURAL
Hidrocarburos: CH4, C2H6, C3H8, C4H10...
Inertes: CO2 y N2
Oxígeno: O2
Las principales fuentes convencionales de obtención del GN son:
•
•
Los yacimientos de gas libre: Es aquel donde solo se encuentra GN,
Los yacimientos de gas asociado, que son aquellos donde coexisten el crudo y el
GN.
En Colombia las dos principales fuentes de GN son los yacimientos de la Guajira (gas
libre) y de Cusiana (gas asociado).
Como fuentes no convencionales de GN comienzan a tomar importancia, por su alta
factibilidad técnica-económica para su comercialización las siguientes:
•
Lechos de carbón: En algunos lechos de carbón se encuentra atrapadas grandes
cantidades de metano, cuya recuperación permite su alimentación a las redes de
gasoductos.
Uso eficiente y racional de energía
•
Hidratos: Son cristales de hielo con incrustaciones de moléculas de metano, que se
forman a bajas temperaturas y alta presión en el fondo del océano. En un pie cúbico
de hidrato se pueden obtener 170 pies cúbicos de metano aproximadamente.
El GN que se está distribuyendo en Medellín en el sector industrial, hasta el día de hoy,
es el de Guajira.
En la tabla 8 se presenta la composición química de los GN colombianos actualmente
distribuidos y que se proyectan distribuir y más adelante, en la figura 11, se presentan las
principales propiedades de combustión del GN de Guajira.
Tabla 8. Composición de los principales gases naturales distribuidos y que se proyectan distribuir en
Colombia [13].
% Molar
Componente
Guajira
Cusiana
sin tratar
Cusiana
2004
Cuasiana
2012
Metano
97.76
75.68
81.90
82.19
Etano
0.38
11.15
10.50
10.43
Propano
0.2
4.70
3.70
3.59
i-Butano
0.00
0.00
0.50
0.48
n-Butano
0.01
2.36
0.55
0.54
i-Pentano
0.02
0.00
0.11
0.07
n-Pentano
0.03
0.00
0.07
0.05
n-Hexano
0.04
0.01
0.03
0.02
CO2
0.37
5.20
2.00
1.97
Oxígeno
0.00
0.00
0.00
0.00
Nitrógeno
1.29
0.91
0.64
0.65
TOTAL
100
100
100
100
Gas Licuado del Petróleo (GLP): Es una mezcla de hidrocarburos livianos constituida
principalmente por C3’s (propano y compuestos derivados de éste) y C4’s (butanos y
compuestos derivados de éstos), en proporciones variables y que a condiciones normales
es gaseosa y al comprimirla pasa a estado líquido. Puede producirse en plantas de
procesamiento de gas natural o en refinerías, especialmente en plantas de ruptura
catalítica [3].
Es utilizado especialmente como combustible doméstico para la cocción de alimentos y
calentamiento de agua. También puede usarse como combustible en hornos, secadores
y calderas de diferentes tipos de industrias, en motores de combustión interna y en
turbinas de gas para generación de energía eléctrica.
31
Para una composición típica de 60 % propano y 40 % butano, las principales propiedades
de combustión son las siguientes [3]:
•
•
•
•
•
•
•
•
Densidad relativa = 1.72
Volumen estequiométrico de aire (Va) = 26.656 m3aire/m3gas
Masa estequiométrica de aire (ma)= 15.53 kgaire/kggas
Poder calorífico inferior (PCI)= 91.53 MJ/m3st = 46.05 MJ/kg.
Poder calorífico superior (PCS) = 106.47 MJ/m3st = 49.94 MJ/kg.
Límite inferior de inflamabilidad (LII) = 1.91
Límite superior de inflamabilidad (LSI) = 9.07
Temperatura de ignición = 490 ºC.
Las principales características físicas de los gases licuados del petróleo son las
siguientes:
•
La producción, transporte, almacenamiento y distribución se realiza en fase líquida y
su uso energético en fase gaseosa.
•
En estado líquido es más liviano que el agua (550 kg/m3) y en estado gaseoso es
más pesado que el aire (1.8 kg/m3)
•
A temperatura y presión ambiente son gases, un volumen líquido equivale a 250
unidades de volumen gaseoso.
•
Es incoloro e inodoro.
3.1.2.
Combustibles líquidos [12, 14]
Diesel corriente (Fuel oil N°2): El diesel corriente, o el aceite combustible para motores
(ACPM), es una mezcla de hidrocarburos entre 10 y 28 átomos de carbono, formada por
fracciones combustibles proveniente de diferentes procesos de refinación del petróleo
tales como destilación atmosférica y ruptura catalítica. Este combustible está diseñado
para utilizarse como combustible en motores tipo diesel de automotores de trabajo medio
y pesado que operan bajo condiciones de alta exigencia en vías y carreteras del país,
o para generar energía mecánica y eléctrica, y en quemadores de hornos, secadores y
calderas.
En la tabla 9 se presenta la composición química elemental en masa y algunas
propiedades físicas y de combustión del Fuel Oil N°2, distribuido en Medellín, el cual ha
sido caracterizado en el laboratorio de fisicoquímica de Petróleos Venezolanos.
Uso eficiente y racional de energía
Tabla 9. Composición elemental y propiedades de combustión del Fuel Oil N°2.
Composición
Carbono (ASTM 5291)
Valor
86.24% masa
Hidrógeno (ASTM 5291)
Oxígeno (ASTM 5622)
Azufre (ASTM 2622)
Nitrógeno (ASTM 4629)
12.22% masa
0.74% masa
0.34% masa
0.01933% masa
Cenizas
0.0122% masa
Propiedades
Densidad relativa
Gravedad API
Punto de inflamación
Viscocidad a 40°C
PCI (MJ/kg)
PCS (MJ/kg)
Masa estequiométrica de aire (kga/kgc)
% máximo de CO2
Condiciones: 15,5°C y 1 atm
Valor
0.883
28.7 API
82.3°C
6.8 cSt
42.80
45.04
14.10
15.74
Combustóleo (Fuel Oil N°6): El combustóleo también conocido como Fuel
Oil No. 6, es un combustible elaborado a partir de productos residuales que se
obtienen de los procesos de refinación del petróleo. Está diseñado para usarse
especialmente como combustible en hornos, secadores y calderas. También
puede utilizarse para calentadores (unidades de calefacción) y en plantas de
generación de energía eléctrica. Tiene un poder calorífico inferior de 41.5 MJ/kg,
un contenido máximo de azufre de 1.7g/100g, una viscosidad a 40°C de 381.5 cSt.
Crudo de Rubiales: Es un combustible con propiedades caloríficas similares a las del
fuel oil pero con altos contenidos de azufre, metales pesados y particulados. Es utilizado
como combustible industrial en hornos, secadores y calderas. Su poder calorífico superior
está alrededor de los 38.8 MJ/kg,
En la tabla 10 se presentan algunas propiedades de los combustibles líquidos, excepto
el Fuel Oil Nº2, usados en las industrias del Valle de Aburrá, en calderas y hornos.
Esta información fue obtenida del estudio “Caracterización de combustibles en sitios de
distribución, establecimientos comerciales, industriales y de servicios para verificar su calidad”
realizado por el Área Metropolitana del Valle de Aburrá en 2006.
33
Unidades
Crudo de
Rubiales
Fuel Oil Nº6
Crudo
Liviano
Aceite usado
Tabla 10. Propiedades de combustibles líquidos usados en calderas y hornos en algunas industrias
del Valle de Aburrá. Adaptado de [12]
AGUA POR DESTILACION
% Vol
0.20
1.60
3.20
6.00
AGUA Y SEDIMENTOS
% Vol
0.00
0.00
0.60
6.30
CENIZAS
% P/P
0.52
1.14
1.55
0.64
CONTENIDO DE AZUFRE
% P/P
075
0.84
1.01
1.12
GRAVEDAD API @ 60 °F
N/A
10.10
12.10
19.70
22.80
MJ/kg
42.78
41.90
42.72
39.63
°C
102.30
73.30
94.30
34.30
% P/P
11.04
11.55
7.13
3.68
CORROSIÓN
N/A
1ª
1A
1A
2b
VISCOSIDAD SAYBOLT @ 50 °C
SFS
32.40
18.40
NOMBRE DE LA PROPIEDAD
PODER CALORIFICO
PUNTO DE INFLAMACION PENSKY
MARTENS
RESIDUO CARBONOSO CONRADSON
PUNTO DE FLUIDEZ
°C
288.00 229.00
-15.00 -21.00 -18.00 -21.00
3.1.3. Combustibles sólidos [12, 15]
Los combustibles sólidos son utilizados principalmente en calderas. Los principales
combustibles sólidos utilizados en las empresas del Valle de Aburrá son el carbón, el
coque y la madera.
Carbón: Es un mineral de origen orgánico, de color negro, muy rico en carbono. Se
origina por descomposición de vegetales terrestres, hojas, maderas, cortezas, esporas,
etc., que se acumulan en zonas pantanosas, lagunares o marinas, de poca profundidad.
Los vegetales muertos se van acumulando en el fondo de una cuenca. Quedan cubiertos
de agua, y por lo tanto protegidos del aire. Comienza una lenta transformación por la
acción de microorganismos que no pueden vivir en presencia de oxígeno (bacterias
anaerobias). Con el tiempo se produce un progresivo enriquecimiento en carbono.
Existen diferentes tipos de carbones minerales en función del grado de carbonificación
que haya experimentado la materia vegetal que originó el carbón. Estos van desde
la turba, que es el menos evolucionado y en el que la materia vegetal muestra poca
alteración, hasta la antracita que es el carbón mineral con una mayor evolución. Esta
evolución depende de la edad del carbón, así como de la profundidad y condiciones
de presión, temperatura, entorno, etc., en las que la materia vegetal evolucionó hasta
formar el carbón mineral.
Uso eficiente y racional de energía
Los carbones se clasifican dependiendo del rango. El rango de un carbón mineral se
determina en función de criterios tales como su contenido en materia volátil, contenido
en carbono fijo, humedad, poder calorífico, etc. Así, a mayor rango, mayor es el contenido
en carbono fijo, mayor el poder calorífico, y menor el contenido de humedad y de materia
volátil.
Existen varias clasificaciones de los carbones según su rango. Una de las más utilizadas
(clasificación ASTM) divide a los carbones de menor a mayor rango en: turba, lignito,
sub-bituminoso, bituminoso alto en volátiles, bituminoso medio en volátiles, bituminoso
bajo en volátiles y antracita.
•
•
•
•
•
Turba: La turba es un material orgánico compacto, de color pardo oscuro y rico en
carbono. Se emplea como combustible y en la obtención de abonos orgánicos. Tiene
un alto contenido de humedad, entre un 80 % y un 90 %, un bajo poder calorífico, y un
contenido de carbono inferior al 25 %.
Lignito: El lignito es un carbón mineral que se forma por compresión de la turba. Es de
color negro o pardo y frecuentemente presenta una textura similar a la de la madera
de la que procede. Su contenido de carbono varía entre el 60% y el 75%, tiene mucho
menos humedad que la turba (entre 40 % y 60 %) y un poder calorífico relativamente
bajo (entre 10 y 20 MJ/kg).
Sub-Bituminoso: Estos carbones presentan propiedades intermedias entre las del
lignito y los carbones bituminosos. Normalmente se utilizan en centrales térmicas para
la producción de energía. Tiene un contenido de carbono que oscila entre 35 % y 45
% y un poder calorífico de aproximadamente 20 MJ/kg.
Bituminoso: Es un carbón mineral denso de color negro o marrón oscuro, se utiliza en
centrales térmicas y para la producción de coque metalúrgico. La hulla pertenece a
este tipo de carbón bituminoso con contenidos alto y medio en volátiles. Su contenido
de carbono oscila entre 45 % y 85 % y su poder calorífico está entre 24 y 35 MJ/kg.
Antracita: Es el carbón mineral de más alto rango y el que presenta mayor contenido
en carbono (entre 86 % y 98 %). Sin embargo, su poder calorífico es, en general,
inferior al de los carbones bituminosos debido a su bajo contenido en materia volátil
(entre 23 y 33 MJ/kg). La antracita es de difícil ignición y cuando arde se origina una
llama azul, corta la cual da origen a muy pocos humos.
En la tabla 11 se presenta la composición típica de algunos carbones utilizados en las
industrias del Valle de Aburrá. Esta información fue obtenida del estudio “Caracterización
de combustibles en sitios de distribución, establecimientos comerciales, industriales y
de servicios para verificar su calidad” realizado por el Área Metropolitana del Valle de
Aburra en 2006.
Coque: Es un combustible obtenido de la destilación de la hulla calentándola a
temperaturas muy altas en hornos cerrados que la aíslen del aire, y sólo contiene una
pequeña fracción de la materia volátil de origen. Es producto de la descomposición
térmica de carbones bituminosos en ausencia de aire. En el Valle de Aburrá el coque es
utilizado como combustible y materia prima en la fabricación de hierro y acero usando
hornos cúpula.
35
Tabla 11. Composición de algunos carbones utilizados en algunas empresas del Valle de Aburrá.
Adaptado de [12]
Poder
Carbono Azufre
Calorífico
Fijo
Total
Superior
(%)
(%)
(MJ/kg)
Tipo de carbón
Humedad
Residual
(%)
Ceniza
(%)
Materia
Volátil
(%)
Bituminoso alto
volátil C
3.30
13.20
12.70
70.80
0.29
26.22
Bituminoso alto
volátil C
6.70
3.90
42.20
47.20
0.64
28.48
Sub-bituminoso A
12.60
6.40
38.00
43.00
0.75
24.56
Sub-bituminoso B
9.20
10.90
38.20
41.70
0.63
24.26
Sub-bituminoso B
10.00
11.00
37.80
41.20
0.85
23.04
Sub-bituminoso B
8.00
18.10
35.10
38.80
0.86
22.40
Sub-bituminoso C
9.60
15.40
38.00
37.00
0.49
21.69
Lignito A
10.20
0.70
73.70
15.40
0.06
17.70
Madera: En el estudio arriba mencionado, realizado por el Área Metropolitana del Valle
de Aburrá, se identificó que la madera y el cisco de café eran utilizados en algunas
industrias del Valle de Aburrá como combustible en hornos y calderas. En este estudio
se encontró que las maderas utilizadas para uso industrial son: El pino pátula, puerto,
roble, sapán, teca, ciprés, cedro, güino, perillo y eucalipto [12].
En la tabla 12 se presentan los análisis de laboratorio realizados a algunas de las maderas
utilizadas como combustibles en industrias del Valle de Aburrá.
Uso eficiente y racional de energía
Tabla 12. Composición típica y poder calorífico de las maderas y el cisco de café utilizado como
combustible en algunas industrias del Valle de Aburrá. Adaptado de [12].
Especie
Densidad
básica
promedio
(`kg/m3)
Humedad Cenizas
(%)
(%)
Materia
Carbono Azufre
Volátil
(%)
fijo (%)
(%)
Poder
Calorífico
Superior
(MJ/kg)
Sapan
0.87
7.1
0.2
75.1
17.6
1.03
18.97
Teca
0.63
7.2
0.8
76.1
15.9
0.04
18.44
Eucalipto
0.57
6.6
0.2
76.6
16.6
0.04
18.07
Roble
Pino
Pátula
Perillo
0.55
6.9
0.4
76.1
16.6
0.04
18.02
0.52
8.5
0.2
78.4
12.9
0.03
17.93
0.50
6.5
0.3
80.7
12.5
0.08
18.09
Güino
0.49
7.1
0.6
74.7
17.6
0.02
18.37
ciprés
0.43
7.5
0.1
78.4
14
0.05
18.02
Puerto
Cisco de
café
0.42
7.4
0.5
78.2
13.9
0.04
17.50
-----
9.6
2.1
69.8
18.5
0.01
17.67
3.2.
Calidad de los combustibles utilizados en el Valle de Aburra [12]
En el estudio “Caracterización de combustibles en sitios de distribución, establecimientos
comerciales, industriales y de servicios para verificar su calidad” realizado por el Área
Metropolitana del Valle de Aburrá en 2006, se encontró que los combustibles líquidos
utilizados a nivel industrial, principalmente en calderas (Fuel Oil Nº2, Fuel Oil Nº6, Crudo
de Rubiales, crudo liviano y aceites usados), tienen problemas de calidad. Un gran
porcentaje de las muestras analizadas no cumplen con las especificaciones establecidas
en la norma ASTM, principalmente en lo que respecta al contenido de agua, de cenizas y al
poder calorífico. Esto puede originar daños en las calderas y una combustión incompleta,
produciendo mayores emisiones de sustancias contaminantes por fuentes fijas.
Teniendo en cuenta estos problemas y la cantidad de empresas que utilizan estos tipos
de combustibles, puede ser clara la contribución de estos con emisiones de gases
contaminantes y material particulado, que deterioran la calidad del aire en el Área
Metropolitana del Valle de Aburrá.
En lo que respecta al carbón, los análisis realizados en el estudio contratado por el Área
Metropolitana [12], muestran que el contenido de azufre promedio fue de 0.6 %, el de
ceniza fue superior a 9.0% y el poder calorífico promedio fue de 23.5 MJ/kg. Ninguna de
las muestras analizadas excedió el contenido máximo permitido de azufre. Sin embargo,
ninguna de las 43 empresas incluidas en el estudio, tiene un sistema para controlar las
emisiones de contaminantes gaseosos como los óxidos de azufre (SOx) y los óxidos
nitrosos (NOx) y sólo unas pocas tienen sistema para controlar el material particulado
generado por la combustión del carbón.
De las maderas utilizadas como combustible en las industrias, las que mayores emisiones
de SOx generan son el sapán y el cisco de café, pues sus concentraciones de azufre son
37
relativamente elevadas, 1.03% y 0.08%, respectivamente. Por otro lado, las maderas que
menores emisiones de SOx generan son el güino y el pino, pues sus concentraciones de
azufre fueron de 0.02 % y 0.03 %, respectivamente [12].
Si bien en el Valle de Aburrá no se han realizado estudios acerca de la variabilidad de la
composición química de los GLP distribuidos, la evidencia empírica señala que en Colombia
aún no se logra estandarizar su composición, lo que trae alteraciones en los procesos de
calentamiento en hornos, que comprometen la calidad de los productos, así por ejemplo, un
incremento del contenido de butano incrementa el poder calorífico, de manera que si no se
ajusta la tasa calórica en el horno se tendrán problemas de calentamiento excesivo, como
también una disminución de la relación aire/combustible pudiéndose generar combustión
incompleta y en consecuencia emisiones de monóxido de carbono.
El desarrollo de la red de distribución de GN en el Valle de Aburrá ha hecho posible la
disponibilidad de un combustible de muy buena calidad, que no requiere de sistemas de
almacenamiento. Dado que su combustión no produce hollín, los costos de mantenimiento
de los equipos se reduce, sus emisiones de CO2, NO, SOx, CO y material particulado
son menores que la de los combustibles sólidos y líquidos, por lo que su uso contribuye
significativamente a la atenuación del Efecto Invernadero y al mejoramiento de la calidad
del aire en la región.
Mayores ventajas comparativas, en los costos y productividad de las empresas, se
pudieran lograr con el gas natural, si la penetración o reconversión de los sistemas
energéticos requerido para su uso, se realiza con tecnologías de calentamiento de nueva
generación en procesos de baja y alta temperatura. En los procesos de baja temperatura
las tecnologías son: Los tubos sumergidos, la combustión sumergida, las calderas de
condensación, las bombas de calor. En los procesos de alta temperatura se pueden
utilizar: Los tubos radiantes, los quemadores autorrecuperativos, los quemadores
autorregenerativos, los quemadores radiantes autorregenerativos, los quemadores para
calentamiento a alta velocidad y los sistemas con oxicombustión [16, 17].
3.3.
Aspectos legislativos
En Colombia los avances en materia de regulación ambiental y de calidad de
combustibles utilizados a nivel residencial, comercial, industrial y automotriz son aún
incipientes comparado con las naciones del primer mundo. Así se tiene que, sólo a partir
de 1979 con la expedición del Título I de la Ley 09, el gobierno nacional establece las
normas generales que servirán de base para definir los procedimientos y las medidas
que se deben adoptar para la regulación, legalización y control de las descargas de
residuos y materiales que afecten o puedan afectar las condiciones sanitarias del
Ambiente. Posteriormente, con el Decreto 2 de 1982 se reglamentan parcialmente el
Título I de la Ley 09 de 1979 y el Decreto de Ley 2811 de 1974, en cuanto a emisiones
atmosféricas. Sin embargo en ninguna de los decretos y la ley anteriormente citados se
establecen limitaciones en cuanto a niveles de emisiones permisibles o a la calidad de
los energéticos empleados.
Normativas de calidad de los combustibles líquidos y sólidos: Sólo a partir de 1995,
el Ministerio del Medio Ambiente promulga la resolución 898, en la que se comienzan
a definir criterios ambientales de calidad de los combustibles líquidos (gasolina extra,
gasolina corriente, diesel) y sólidos utilizados en hornos y calderas de uso comercial e
industrial y en motores de combustión interna de vehículos automotores.
Uso eficiente y racional de energía
La Resolución 898 de 1995 se ha ido ajustando con el paso de los años. Es así como
la calidad de las gasolinas y del diesel corriente (ACPM) distribuidas en Colombia se
rigen por lo estipulado en la Resolución 0447 de 2003 expedida por el Ministerio del
Medio Ambiente (Ver tablas 13, 14 y 15). Con respecto al combustóleo (fuel oil No. 6)
que se distribuye en el país para ser usado en calderas y hornos de uso industrial y
comercial, para la generación de calor o energía, la Resolución 68 de 2001, expedida
por el Ministerio del Medio Ambiente, estipula que este no podrá contener azufre en
cantidades superiores a las indicadas en la tabla 16.
Tabla 13. Requisitos de calidad de las gasolinas básicas que se distribuyan para consumo en áreas
y ciudades con población menor de 500.000 habitantes y que además se utilicen para mezcla con
etanol anhidro para producir gasolinas oxigenadas.
Característica
Unidad
1 Índice antidetonante, mínimo (1)
Fecha de vigencia
Abril 1°
Enero 1°
2001
2005
Métodos
ASTM
D2699 y
D 2700 o
IR (4)
Gasolina corriente
º
81
81
Gasolina extra
º
87
87
0.013
0.013
58 (8.5)
55 (8.0)
KPa
98
98
% volumen
28
25
% volumen
35
30
Gasolina corriente
% volumen
1.0
1.0
Gasolina extra
% volumen
2.0
1.5
7 Azufre, máximo
% en masa
0.10
0.03
Clasificación
1
1
D130
mg/100 mL
5
5
D381
2 Plomo, máximo
G/l
3 RVP, máximo (2)
4 Índice de cierre de vapor (ICV),
máximo
5 Aromáticos, máximo
Gasolina corriente
kPa (psia)
Gasolina extra
6 Benceno, máximo
8 Corrosión al cobre, 3h a 50°C,
máximo
9 Contenido de gomas, máximo
10 Estabilidad a la oxidación,
mínimo minutos
11 Destilación
10% volumen evaporado
50% volumen evaporado
90% volumen evaporado
Punto final de ebullición
240
°C
240
ver (3)
D5580 o
D1319 o
Método
Piano
D5580 o
D3606 o
Método
Piano
D4294 o
D2622
D525
Mín Máx Mín Máx
70
70
77 121 77 121 D86
190
190
225
225
Índice Antidetonante: IAD = (RON + MON)/2
(2)
RVP, máximo: Presión de Vapor Reid, a 37.8°C
(3)
ICV = P + 1.13(A); en donde: P = Presión de vapor en kilopascales (kPa); A =
% volumen evaporado a 70°C
(4)
Método alterno: Infrarrojo
(1)
D3237 o
D50-59
D5191
39
Tabla 14. Requisitos de calidad de las gasolinas oxigenadas con etanol anhidro que se distribuyan
para consumo en ciudades con población mayor de 500.000 habitantes.
Característica
1 Índice Antidetonante, mínimo (1)
Gasolina corriente oxigenada
Gasolina extra oxigenada
Especificación
Métodos
84
89
D2699 y D
2700
g/l
0.013
D3237 o
D5059
kPa (psia)
65 (9.3)
D4953
KPa
124
(2)
% volumen
% volumen
25
30
% volumen
% volumen
1.0
1.5
% en masa
0.03
Clasificación
1
D130
9 Contenido de agua, máximo
% volumen
0.04
D 6422
10 Contenido de gomas, máximo
11 Oxígeno, máximo
12 % de etanol
mg/100 mL
% masa
%volumen
5
3.5
10±0.5
D381
D4815
13 Aditivos, mínimo (5)
% en masa
(3)
(4)
Minutos
240
D525
2 Plomo, máximo
3 RVP, máximo
4 Índice de cierre de vapor (ICV),
máximo
5 Aromáticos, máximo
Gasolina corriente oxigenada
Gasolina extra oxigenada
6 Benceno, máximo
Gasolina corriente oxigenada
Gasolina extra oxigenada
7 Azufre, máximo
8 Corrosión al Cobre, 3h a 50°C,
máximo
14 Estabilidad a la oxidación,
mínimo
15 Destilación
10% volumen evaporado
Unidad
50% volumen evaporado
90% volumen evaporado
Punto final ebullición
Residuo de la destilación,
máximo
% volumen
D5580 o
D1319
D5580 o
D3606
D4294 o
D2622
°C Mín
70
Máx.
77
121
190
225
D86
2
Índice Antidetonante: IAD = (RON + MON)/2
Índice de Cierre de Vapor: ICV = P + 1.13(A); en donde P = presión de vapor en kilopasacales
(kPa) y A = % volumen evaporado a 70°C
(3)
Los tipos y dosis de aditivos serán los que establezca el Ministerio de Minas y Energía en la
regulación respectiva.
(4)
El método de prueba será aquel que establezca el Ministerio de Minas y Energía en la regulación
respectiva.
(5)
El paquete de aditivos deberá cumplir como mínimo las funciones de detergente dispersante
controlador de formación de depósitos en el sistema de admisión de combustibles de los
motores (incluyendo acción de limpieza como mínimo hasta los asientos de las válvulas de ad
misión), estabilizador del combustible e inhibidor de oxidación.
(1)
(2)
Uso eficiente y racional de energía
Tabla 15. Requisitos de calidad del combustible diesel corriente (ACPM).
Fecha de vigencia
Característica
1 Azufre, máximo
2 Aromáticos, máximo
3 Número de cetano, mínimo
4 Indice de cetano, mínimo
(4)
8 Gravedad API, mínimo
9 Viscosidad a 40°C
10 Destilación
Punto inicial de ebullición
Temperatura 50% volumen
recobrado
Temperatura 90% volumen
recobrado, máximo
Punto final de ebullición,
máximo
11 Agua y sedimento, máximo
12 Punto de fluidez, máximo
13 Punto de inflamación,
mínimo
14 Cenizas, máximo
Abril
1/2001
Enero 1/
2005
% masa
%
volumen
0.45
0.45
35
35
43
43
45
45
2
2
D130
3.0
3.0
D1500
% masa
0.20
0.20
D4530
°API
Reportar
Reportar
(2)
5 Corrosión al cobre, máximo
3h a 50°C,
6 Color ASTM, máximo
7 Residuos de carbón micro,
máximo (10% fondos)
Métodos
ASTM
Unidad
mm2/s
Mín: 1.9–
Max:5.0
Mín: 1.9Max:5.0
D4294 (1)
D5186 o
D1319 o (3)
D613
D976 o
D4737
D4052 o
D1298 o
D287
D445
ºC
Reportar
Reportar
ºC
Reportar
Reportar
ºC
360
360
ºC
390
390
0.05
0.05
4
4
D1796 o D
2709
D97 o D5949
ºC
52
52
D93
% en
masa
0.01
0.01
D482
%
volumen
ºC
D86
Métodos alternos: D2622, D1552 y D1266.
Válido para diesel producido en la destilación atmosférica del petróleo crudo, sin
mezcla con otros componentes de refinería.
(3)
Métodos alternos: Espectometría de Masas, Ultra Violeta Visible (UV - VIS).
(4)
Para diesel que contenga componentes provenientes de procesos de ruptura catalítica
y/o térmica, y/o aditivos mejoradas de cetano.
(1)
(2)
Tabla 16. Contenido de azufre en el combustóleo (Fuel Oil Nº6)
Parámetro
Unidad
Azufre, máx.
%masa
Fecha de vigencia
enero 18/2001
enero 1/2005
1.7
1.5
41
Método ASTM
D4294 o D2622
En lo que respecta a la calidad del carbón y sus mezclas, la Resolución 898 de 1995
también fue posteriormente modificada por la Resolución 623 del 9 de Julio de 1998,
expedida por el Ministerio del Medio Ambiente. Ésta estipula que los carbones o sus
mezclas que se utilicen como combustible en hornos y calderas, deberán cumplir con los
requisitos de calidad presentados en la tabla 17.
Tabla 17. Calidad del carbón mineral o sus mezclas para su utilización como combustible. Fecha de
vigencia: Enero 1º de 1998 hasta enero 1º de 2003.
Región
Contenido de azufre total (% peso)
Atlántica
1.5
Orinoquía y Central, excepto Boyacá
1.7
Boyacá
2.5
Pacífica y Amazonía
3.3
Donde :
• Región Atlántica: Atlántico, Bolívar, Cesar, Córdoba, Guajira, Magdalena, Sucre, San
Andrés y Providencia.
• Región de la Orinoquia y Central, excepto Boyacá: Antioquia, Caldas, Norte de
Santander, Santander, Quindío, Risaralda, Tolima, Cundinamarca, Meta, Arauca,
Casanare, Vichada, Guaviare y Guainía.
• Región de Boyacá: Departamento de Boyacá.
• Región Pacífica y Amazonia: Cauca, Chocó, Nariño, Valle del Cauca, Huila, Caquetá,
Amazonas, Putumayo y Vaupés.
Esta misma resolución también plantea que, para medir el contenido de azufre en el
carbón o sus mezclas, se realizarán muestreos en el punto más cercano a la alimentación
del mineral al sistema de combustión, en donde sea factible efectuar la toma de la
muestra. Así mismo, el sitio de muestreo estará localizado después de los procesos de
mezcla y preparación del carbón a quemar. Los procedimientos y técnicas para realizar
la toma, preparación y análisis de laboratorio, para las muestras de carbón mineral o sus
mezclas, son los establecidos por las normas ASTM o ISO, identificadas de la siguiente
manera: Para muestreo y preparación, la norma ASTM D2234 y D2013 o la norma ISO
1988M; para análisis de azufre total, la norma ASTM D3177 y D4239 o la norma ISO
334M y 351 M.
Finalmente, toda persona natural o jurídica, pública o privada, o que bajo cualquier
título utilice carbón mineral o sus mezclas como combustible, deberá llevar un registro
mensual que incluya:
a) Cantidad consumida, y
b) Contenido de azufre total (% en peso), según lo establecido en la tabla 17.
Uso eficiente y racional de energía
Normativas de calidad de los combustibles gaseosos: Se tiene lo siguiente, según
el combustible:
Gas Natural: En lo que respecta a la normatividad relacionada con la calidad del gas
natural se tiene la Resolución 71 de 1999 expedida por la Comisión de Regulación de
Energía y Gas (CREG), en la que se establece el Reglamento Único de Transporte
(RUT). En esta resolución se establece que el gas natural entregado al transportador
por el agente, en el punto de entrada del sistema de transporte y por el transportador
en el punto de salida, deberá cumplir con las especificación de calidad presentadas
en la tabla 18.
•
Tabla 18. Especificaciones de calidad del gas natural.
ESPECIFICACIONES
Máximo poder calorífico bruto (GHV)
Sistema Internacional (Sistema Inglés)
(1)
42.8 MJ/m3 (1.150 BTU/ft3 )
(1)
35.4 MJ/m3 (950 BTU/ft3 )
Mínimo poder calorífico bruto (GHV)
Contenido líquido (2)
Contenido total de azufre, máximo
Contenido total de H2S, máximo
Contenido CO2, máximo (% volumen)
Contenido de N2, máximo (%
volumen)
Contenido de inertes máximo (%
volumen) (3)
Contenido de oxígeno máximo (%
volumen)
Contenido de agua, máximo
Temperatura de entrega, máxima
Libre de líquidos
23 mg/m3 (1.0 grano/100PCS)
6 mg/m3 (0.25 grano/100 PCS)
2 % (2 %)
Temperatura de entrega, mínima
Contenido máximo de polvos y material
en suspensión (4)
4.5 ºC (40 ºF)
3.0 % (3.0 %)
5% (5%)
0.1% (0.1 %)
97 mg/m3 (6.0 lb/MPCS)
49 ºC (120 ºF )
1.6 mg/m3 (0.7 grano/1000 PC)
(1) Todos los datos referidos a metro cúbico ó pie cúbico de gas se referencian a
condiciones estándar (1 atmósfera y 15 ºC).
(2) El gas natural deberá entregarse con una calidad tal que no forme líquido, a las
condiciones críticas de operación del sistema de transporte. La característica para
medir la calidad será el “Cricondentherm” el cual será fijado para cada caso en
particular dependiendo del uso y de las zonas donde sea utilizado el gas.
(3) Se considera como contenido de inertes la suma de los contenidos de CO2, nitrógeno
y oxígeno.
(4) El máximo tamaño de las partículas debe ser 15 micrones.
•
GLP: Actualmente aún se está desarrollando el marco regulatorio que permitirá
establecer la calidad del GLP comercializado en el país. Sin embargo, existe la
norma americana ASTM D1835, la cual suministra las especificaciones estándar de
los gases licuados del petróleo (GLP) (Ver tabla 19).
Tabla 19. Especificaciones estándar de los gases licuados del petróleo (GLP) según la norma
americana ASTM D1835.
Designación del producto
Propiedad
Unidades
Propano
Butano Propano
Comercial Comercial Especial
43
Método
de
Prueba
ASTM
D1267 ó
D2598
Psig
208
70
208
Kpa
1430
485
1430
°F
-37
36
-37
°C
-38.3
2.2
-38.3
Butano y pesados, máx
% Vol
2.5
-
2.5
D2163
Pentano y pesados
% Vol
-
2.0
-
D2163
Material residual: Residuo en
Evaporación 100 ml, Máx,
% Vol
0.05
0.05
0.05
D2158
Pasa(1)
Pasa(1)
Pasa(1)
D2185
(2)
(2)
(2)
D1257 ó
D2598
No. 1
No. 1
No. 1
D1838(3)
185
140
123
D2784
Sulfuro de hidrogeno
pasa
pasa
pasa
D2420
Contenido de humedad
pasa
-
pasa
D2713
Contenido de agua libre
-
No.
-
Presión de vapor a 100°F
(37.8 °C)
Residuo volátil:
Temperatura evaporado 95%
máx.,
Observación
aceite
mancha
de
Densidad relativa a 60/60
°F(15.6/15.6°C)
Corrosión al cobre, Máximo
Sulfuro
(1)
(2)
(3)
(4)
PPPW
No.
(4)
(4)
D1837
Un producto aceptable debería no producir un anillo de aceite persistente cuando 0.3
ml de mezcla de residuo de solvente se adiciona a un ‘papel de filtro, el incrementos
de 0.1 mI y examinado a la luz después de 2 minutos como se describe en el método
de prueba D 2158.
Aunque no hay un requerimiento específico, la densidad relativa debe ser determinada
para otros propósitos y podría ser reportada.
Este método no puede determinar exactamente la presencia de materiales reactivos
(por ejemplo H2S, So); en GLP sí contienen productos inhibidores o otros químicos
los cuales disminuyen la reacción con las láminas de cobre.
La presencia o ausencia de agua debe ser determinada por inspección visual de las
muestras en las cuales se determina la densidad relativa.
Uso eficiente y racional de energía
4
Tipos, diagnóstico y
optimización de la combustión
4.1.
Parámetros de un sistema de combustión
El objetivo de una instalación industrial es garantizar el suministro confiable y seguro de
los combustibles a los diferentes equipos de uso térmico. Para ello en el estudio de un
sistema de combustión industrial deben tenerse en cuenta los siguientes parámetros:
•
•
•
•
•
Potencia térmica.
Potencia útil.
Eficiencia o consumo específico de combustible.
Relación aire/combustible.
Volumen de humos.
En este documento se presenta el análisis de estos parámetros y se desarrollan ejemplos
ilustrativos de su manejo.
Potencia Térmica: Es la cantidad de energía en la unidad de tiempo que entra al sistema
de combustión almacenada como energía química en las moléculas de combustible. La
cantidad de energía que entra con el combustible puede definirse en función del volumen
o masa de combustible, esto es, como poder calorífico volumétrico o poder calorífico
másico. De acuerdo con lo anterior la potencia térmica del sistema queda definida por:
P T = Q * x PC*
PT=
(9)
x PC
Aire
+ gas
→(10)
(CO2 + N 2 + H 2O) + Aire
M
Donde
PT: potencia térmica que entra al sistema con el combustible: kW, Btu/h, kcal/h
Q*: caudal de gas consumido expresado en un determinado estado de referencia (normal
o estándar)
PC*: poder calorífico volumétrico expresado en un determinado estado de referencia
(normal o estándar): kWh/m3, kJ/m3, BTU/ft 3, kcal/m3.
: flujo
másico
de combustible
que entra al sistema: kg/h , lbm/h.
Aire
+ gas
→ (CO
2 + N 2 + H 2 O ) + Aire
PCM: poder calorífico másico del combustible kWh/kg, BTU/lbm, kJ/kg.
45
Al definirse la potencia térmica debe precisarse si ella se establece con base en el poder
calorífico superior o inferior. En muchos equipos industriales y en las máquinas térmicas
(motores diesel y turbinas a gas) la potencia se establece con base en el poder calorífico
inferior, por tanto las expresiones anteriores de potencia son:
PT = Q* x PCI*
PT =
(11)
x PCIm
(12)
Aire
+ gas →
(CO2 + N 2 + H 2O) + Aire
Potencia útil: No toda la potencia térmica disponible en el combustible se transfiere
al proceso o se convierte en trabajo útil, debido a la eficiencia de combustión y otros
factores, sólo una fracción es utilizada. La fracción de potencia térmica que efectivamente
se transfiere al proceso o se convierte en trabajo útil, es lo que se denomina potencia útil.
A efectos de determinar la capacidad de un equipo térmico y su consumo respectivo de
combustible, es conveniente precisar como se especifica la potencia, veamos:
En las calderas industriales la capacidad está expresada en términos de la potencia
útil y no de la potencia térmica. En general, la potencia útil se expresa en BHP, lo cual
define la capacidad de una caldera de producir una determinada cantidad de vapor a una
presión y temperatura dada. En términos de equivalencia:
1BHP = 9.8 kW = 33447.4 BTU/h
En los hornos industriales la capacidad está expresada en términos de la potencia
térmica, expresada en kW, BTU/h y kcal/h, para sus equivalencias se tiene que:
1kW= 3413 Btu/h = 860 kcal/h
1kcal/h = 3.97 Btu/h
Eficiencia: En sistemas de combustión industrial es conveniente diferenciar entre
eficiencia útil o total y eficiencia de combustión. La eficiencia útil es la relación entre la
potencia útil y la potencia térmica, así:
ηU =
PU
PT
(13)
La eficiencia de combustión hace referencia a que en un sistema de combustión no todo
el calor liberado puede ser recuperado, debido a los siguientes factores:
•
El calor sensible que llevan los gases de combustión al salir del sistema, el cual
depende de la temperatura con que ellos salen del equipo y del exceso de aire.
•
El calor latente de condensación del agua. Si el sistema de combustión es sin
condensación, el calor latente de condensación del agua en los productos no es
recuperable.
•
Calor latente asociado con los inquemados y productos de la combustión
incompleta.
Uso eficiente y racional de energía
Las pérdidas de energía relacionadas con los factores anteriores se conocen con
el nombre de pérdidas en los productos de combustión, por lo tanto la eficiencia de
combustión se define como:
(14)
Obsérvese la diferencia entre la eficiencia útil y la eficiencia de combustión, esto es, de la
potencia disponible (PT - pérdidas en los productos de combustión) no toda se transforma
en potencial útil, una fracción se pierde por radiación y otros factores.
Una forma gráfica de presentar el balance de energía y las eficiencias descritas es
acudir al diagrama de Sankey de un sistema de combustión, para ello distinguiremos
entre sistema de combustión con condensación y sistema sin condensación. En la figura
7 se presentan el diagrama de Sankey para un sistema sin condensación. En la figura 8
se muestra el diagrama de Sankey para un sistema de combustión con condensación.
Se observa ahora que una fracción de calor latente de vaporización es recuperado como
potencia útil.
Figura 7. Sistema de combustión sin condensación.
47
Figura 8. Sistemas de combustión con condensación.
De acuerdo a las figuras 7 y 8, las eficiencias útil y de combustión pueden definirse
como: m
a
Con base al PCI:
(15)
Con base al PCS:
R=
Qa
m c
(16)
Estas eficiencias, teniendo en cuenta la relación entre los poderes caloríficos inferior y
superior, pueden definirse como:
(17)
Para efectos de cálculos en sistemas de combustión industrial generalmente el rendimiento
útil y el de combustión se establecen con base en el poder calorífico inferior.
Uso eficiente y racional de energía
Relación aire - combustible en un sistema de combustión: En un sistema de
combustión industrial el análisis de la relación aire/combustible(A/C) es importante por
las siguientes razones:
•
Su conocimiento permite definir el consumo de aire requerido por el sistema, lo
cual en equipos de combustión de aire forzado permite especificar el ventilador y el
circuito de aire.
El control de la relación A/C permite adecuar la potencia del sistema a los
requerimientos de proceso. Además, en determinadas aplicaciones industriales su
control garantiza la generación de una determinada atmósfera (oxidante, neutra y
reductora)
Existen diferentes formas de expresar esta relación:
•
•
Relación volumétrica:
R=
Qa
:
Qc
(18)
Qa: Caudal estándar de aire.
Qc: Caudal estándar de combustible.
m3a
m3c
•
,
Relación másica: R =
m a
:
m c
(19)
: Flujo másico de aire.
m c : Flujo másico de combustible.
,
•
Combinada:
,
Cuando se compare la relación A/C real volumétrica o másica con la A/C estequiométrica,
se obtiene una expresión adimensional que recibe diferentes nombres: Factor de
aireación o factor de equivalencia.
Por relación estequiométrica de aire se entiende la cantidad de aire (en volumen o masa)
que requiere un combustible para quemarse completamente y el oxígeno suministrado es
usado totalmente. Esta relación es una propiedad de todo combustible y depende de su
49
composición
química. En las tablas 2 y 3 se presentan los requerimientos estequiométricos para
diferentes combustibles. Por ejemplo, si el gas natural tiene 9.52 m3a/m3g significa que
para quemar estequiométricamente un metro cúbico de gas se requiere de 9.52 m3st de
aire.
Factor de aireación:
(20)
Compara la relación A/Creal volumétrica usada en un equipo térmico (horno, caldera) con
la estequiométrica (Va).
Factor de aireación:
(21)
Compara la relación A/Creal másica con la relación estequiométrica másica: maest.
En la literatura europea para manejar la relación A/C es muy frecuente utilizar los factores
n y λ.
Si n=1, Se dice que la combustión es estequiométrica o completa sin exceso de aire.
Si n<1, Se dice que la combustión es con defecto de aire.
Si n>1, Se dice que la combustión es con exceso de aire.
Factor de equivalencia φ: Expresa la relación entre C/Areal másica o volumétrica y la
relación estequiométrica C/Aest:
(22)
El factor de equivalencia es utilizado frecuentemente en la literatura americana.
Si la cantidad de combustible real es mayor que el estequiométrico se tiene un factor de
equivalencia mayor que 1 (n>1), se dice entonces que la mezcla es rica.
Si la cantidad de combustible real es menor que el estequiométrico, se tiene un factor de
equivalencia menor que 1 (n<1), se dice entonces que la mezcla es pobre.
Si la cantidad de combustible real es igual al estequiométrico, el factor de equivalencia
es igual a uno (n = 1), por tanto se tiene una mezcla estequiométrica
Se puede demostrar que φ es el inverso de n, entonces:
Uso eficiente y racional de energía
(23)
Otros parámetros de interés para analizar la relación A/C son los siguientes:
(24)
• Porcentaje de aire =
Ejemplo: Si un sistema de combustión opera con un factor de aireación de 1.2,
entonces:
-
El factor de equivalencia
-
Porcentaje de aire = 100 x 1.2 = 120, significa que la combustión se realiza con un
120 % de aire teórico.
(25)
• Porcentaje de exceso de aire = (n - 1) x 100 =
(26)
Para una combustión completa y óptima del gas natural, el exceso de aire % debe oscilar
entre 5% y 20%, para el Fuel Oil entre 20 y 30% y para el carbono entre un 40% y 50%
En el ejemplo anterior es del 20%, significa que existe un exceso de aire del 20%
• Defecto de aire = (1- n) x 100 =
(27)
Volumen de humos: Se define como el volumen de los productos de combustión en m3st
cuando se quema estequiométricamente un volumen de combustible
En condición de combustión estequiométrica y considerando igual cantidad de energía
liberada en el horno o caldera, el volumen de humos producidos por los diferentes
combustibles es:
Gas natural = 1.11 m3st/kWh
Aceites combustibles = 0.97 m3st/kWh
GLP = 1.05 m3st/kWh
Gas manufacturado=1.04m3st/kWh
Si bien no existen diferencias significativas entre los diferentes combustibles, en una
combustión real con exceso de aire, debido a que los líquidos requieren de mayor exceso,
el volumen de humos producidos es mayor, dado que:
Vhumos = Vf + (n - 1) x Va
(28)
Vf: Volumen de humos estequiométricos del combustible en m3sthumos/m3stcombustible, es
una propiedad de combustión que depende de la composición química del combustible
Va: Volumen estequiométrico de aire del combustible en m3staire/m3combustible
n: Factor de aireación.
4.2.
51
Tipos de combustión [18, 19]
Para quemar una cantidad unitaria de combustible se necesita un volumen teórico de
aire, Va, para obtener una combustión neutra o estequiométrica. El aire y el combustible
tienen un movimiento rápido y su contacto se produce en un período muy corto; la
mezcla gas-aire no es siempre homogénea ya que en muchos casos el aire admitido no
se utiliza en su totalidad, bien sea por falta o por exceso. Por esta razón se han definido
varios tipos de combustión dependiendo del volumen de aire realmente empleado. Este
volumen se expresa como:
Vt = n ⋅ Va
(29)
Donde n es el factor de aire, que se define como la relación entre el volumen de aire
realmente usado para la combustión y la cantidad de aire necesario para la combustión
estequiométrica (Va), ambos bajo las mismas condiciones. Así, de acuerdo con el valor
de n, se tendrán diferentes niveles de combustión.
Combustión estequiométrica: Se consigue cuando el aire y el combustible reaccionan
en cantidades teóricas dadas por las reacciones balanceadas. En este caso, la proporción
de aire n es igual a uno y los productos no contienen oxígeno libre ni elementos
inquemados, presentándose el máximo volumen de CO2.
Combustión completa con exceso de aire: En este caso se utiliza un volumen de aire
mayor al teórico, siendo n >1. El exceso no toma parte en la reacción y se encuentra
en los productos, absorbiendo parte del calor que se genera. Como en los productos se
encuentra oxígeno, la combustión también se denomina oxidante.
Aire + gas → (CO2 + N 2 + H 2O) + Aire
Combustión incompleta con deficiencia de aire: Se presenta cuando el aire utilizado
es menor que el teórico y todo el oxígeno se consume en el proceso. La deficiencia se
expresa como (1-n). El combustible no es completamente oxidado y en los productos de
la reacción se encuentran, además del CO2 y el vapor de agua, monóxido de carbono e
hidrógeno, productos de una reacción incompleta. Debido a la presencia de elementos
reductores en los productos (CO, H2), esta combustión se denomina también reductora.
Combustión incompleta con mezcla deficiente. Esta combustión es obtenida cuando
en los humos se encuentran productos de una combustión completa (CO2, H2O), gases
combustibles y oxígeno. La situación puede presentarse cuando al tenerse temperatura
bastante elevada en la zona de reacción, mayores de 1600 °C, ocurre disociación de
los productos iniciales. En el caso más general, esto puede suceder porque se realice
localmente una combustión incompleta por mezcla no homogénea, por temperatura
insuficiente o por un enfriamiento brusco.
Se suelen considerar los productos de esta combustión como la suma de los productos
de una combustión incompleta con deficiencia de aire, más aire adicional sin usar. En
la mayor parte de los casos, el aire admitido no se utiliza en su totalidad en el proceso.
Por esto se debe considerar el factor de aire total n como la suma de una cantidad
de aire nl que realmente reacciona con el combustible, más una cantidad de aire n2
que no interviene en la combustión y actúa como diluyente de los productos finales. En
consecuencia, dependiendo de los valores de nl y n2 se pueden clasificar los diferentes
tipos de combustión. Esto se muestra en la tabla 20.
Uso eficiente y racional de energía
Tabla 20. Tipos de combustión.
n1
n2
Tipo de combustión
1
0
Combustión estequiométrica (neutra)
1
>0
Combustión completa con exceso de aire (oxidante)
<1
<1
0
>0
Combustión incompleta con defecto de aire (reductora)
Combustión mixta
Una herramienta valiosa para establecer las condiciones en las cuales se está realizando
el proceso es el diagrama de combustión. Este diagrama utiliza los valores de la
concentración de O2 y CO2 en los humos secos, o la relación CO/CO2 y la concentración
de O2 a partir del muestreo de los humos por un analizador de gases, para determinar
los porcentajes de H2, CO y N2, los factores de utilización de aire (n1 y n2) y el tipo de
combustión que se efectúa. Este diagrama recibe el nombre de diagrama de Ostwald
en honor a su inventor. En la figura 9 se muestra esquemáticamente el diagrama de
combustión con las principales curvas.
Por esto, disponiendo del diagrama de combustión de un determinado combustible
líquido o gaseoso y un analizador de gases de combustión, se puede diagnosticar el
proceso, lo cual permite introducir ajustes para llevar la combustión a un estado óptimo,
esto es, con una alta eficiencia de combustión y bajas emisiones de inquemados, H2 y
CO.
Con la optimización se busca utilizar al máximo el calor generado en la reacción y evitar
la producción de contaminantes, producto de una combustión incompleta. Esto se realiza
básicamente controlando la composición de los humos por medio del ajuste de la relación
aire/combustible y la homogenización de la mezcla.
Figura 9. Representación esquemática de un diagrama de combustión
53
La interpretación del diagrama es la siguiente: AD: Línea del factor de aire (n) constante;
EB: Línea de relación RO (CO/CO2) constante; AB: Línea de combustión completa
con exceso de aire; A: Combustión estequiométrica; OA: Combustión incompleta con
defecto de aire; ADB: Zona de combustión incompleta con exceso de aire (n>1); ACD:
Zona de combustión incompleta con deficiencia de aire (n<1) OCB: Zona de combustión
endotérmica [18].
En el eje horizontal se trazan las cantidades de oxígeno en los productos de combustión
secos y sobre la ordenada diferentes valores de la relación CO/CO2, que se llama RO. El
contenido de CO2 se ubica en un eje a la derecha del diagrama. El punto de combustión
neutra está sobre la ordenada, correspondiente al máximo contenido de CO2, mientras
que las combustiones completas con exceso de aire (oxidantes) están representadas
por la línea trazada desde el punto de combustión neutra hasta el punto que representa
el aire puro (% O2 = 21), llamada línea de Grebel. Las combustiones incompletas con
deficiencia de aire (reductoras) están sobre la ordenada OA (% O2 = 0). La parte interior
del triángulo representa las combustiones incompletas con mezcla deficiente, en las
cuales el factor de aire total es: n = n1 + n2. Con los valores de % CO2 y % O2 se ubica el
punto en el diagrama. Si el punto cae exactamente sobre la línea de Grebel, se lee n y se
calcula el exceso como (n – 1).
Si el punto cae dentro del triángulo ACB se lee el valor de n, luego se lleva el punto por
la línea de CO/CO2 correspondiente hasta el eje de la ordenada y se lee el factor de
aire utilizado, nl. Para hallar n2, o sea el aire en exceso, se hace n2=n – nl. En la figura
9 se ilustró este procedimiento con la línea punteada. El porcentaje de CO se calculó
directamente a partir del valor de CO/CO2 leído. En cuanto al porcentaje de H2, este se
calcula con el valor de la relación H2/CO2 que se lee en el diagrama.
4.3.
Diagnóstico de una combustión [18, 19]
El diagnóstico de una combustión tiene como objetivo generar información, que permita
introducir ajustes en los equipos de combustión para optimizar la combustión, esto es,
incrementar la eficiencia de combustión. La principal información que se genera en un
diagnostico de combustión es la siguiente:
•
•
•
•
•
Tipo de combustión que ocurre en el equipo térmico.
Factor de aireación, exceso de aire y fracción utilizada y no utilizada.
Composición de los gases de combustión en base seca.
Ubicación del punto de operación del equipo en el diagrama de combustión.
Eficiencia de combustión.
La información e instrumentos requeridos para realizar un diagnóstico de combustión
son:
•
•
•
•
Composición química del combustible usado en el equipo.
Composición de los gases de combustión en relación con alguna de las siguientes
parejas: CO/CO2, CO/O2 y O2/CO2, la cual se determina mediante un analizador de
gases.
La temperatura con que salen los gases de combustión del equipo.
Un algoritmo de cálculo, que a partir de alimentarle la información anterior realiza el
diagnóstico de combustión.
Uso eficiente y racional de energía
Para tal efecto, el grupo de Ciencia y Tecnología del Gas y Uso Racional de la Energía
(GASURE), de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Antioquia, ha desarrollado
los programas COMBUGAS y COMBULIQUIDO para combustibles gaseosos y líquidos
respectivamente. A continuación se ilustran su aplicación y manejo:
Caso1. Consideremos una caldera que funciona con gas natural de la Guajira, donde
el muestreo de los gases de combustión a través de un analizador de infrarrojo presenta
una composición de O2= 1.8%, CO2= 9.5%, la temperatura con que salen es de
250 °C. La secuencia y resultados del diagnóstico de combustión aplicando
el programa COMBUGAS, se presenta en las figuras 10a, 10b, 11 y 12.
Figura 10a. Composición química del combustible [20].
Figura 10b. Composición y temperatura de humos secos [20].
55
Figura 11. Diagnóstico de combustión para el gas natural de la Guajira [20].
Figura 12. Ubicación del punto de operación en el diagrama de combustión [20].
Uso eficiente y racional de energía
Caso2. Consideremos un horno que funciona con diesel de caldera, donde el muestreo de
los gases de combustión a través de un analizador de infrarrojo presenta una composición
de O2= 7% y CO2 = 8%, la temperatura con que salen es de 250 °C. La secuencia y
resultados del diagnóstico de combustión aplicando el programa COMBULIQUIDO se
presenta en las figuras 13a, 13b, 14 y 15.
Figura 13a. Composición química del combustible [21].
Figura 13b. Composición y temperatura de humos secos [21].
57
Figura 14. Diagnóstico de combustión para el diesel de caldera (fuel oil N°2). [21].
Figura 15 Ubicación del punto de operación en el diagrama de combustión [21].
Uso eficiente y racional de energía
Como puede observarse, estos programas, además de entregar el diagnóstico de
combustión, presentan información acerca de las propiedades de combustión del
combustible usado.
4.4.
Diagnóstico de la combustión en sistemas que utilizan carbón [22]
A continuación se presenta una metodología para realizar el diagnóstico de la combustión
cuando el combustible es carbón. En este procedimiento los datos de entrada son: El
tipo de carbón, la concentración de CO2 y de CO en humos secos y la temperatura de
los humos. Utilizando un algoritmo de cálculo se obtiene la eficiencia de combustión con
base en el poder calorífico superior, el factor de aireación y el exceso de aire (EA).
La eficiencia de combustión con base en el poder calorífico superior (η) se define
como:
(30)
Donde PH es el calor perdido por los humos y Pinq es el calor perdido por la no combustión
de una fracción del combustible (inquemados).
En el caso de combustibles sólidos, para determinar PH, se utilizar la formula de
Siegert. Esta expresión nos da un valor aproximado del calor perdido por los humos.
(31)
Donde:
Thumos : Temperatura de los productos de combustión
Tamb : Temperatura del aire que entra al sistema de combustión
%CO2: Contenido de dióxido de carbono en los productos de combustión
A: Constantes que dependen del tipo de combustible (ver tabla 21)
Si el análisis de combustión reporta concentraciones de CO se debe cuantificar el
porcentaje de Pérdidas por combustible no quemado (Pinq). Estas se obtienen a partir de
la siguiente expresión:
(32)
Donde α para el carbón es igual a 69.
El exceso de aire (EA), se calcula a partir del conocimiento del la concentración de
dióxido de carbono (CO2) o de oxígeno (O2) presente en los humos secos. Si se conoce
la concentración de CO2, el EA se obtiene a partir de la siguiente expresión:
(33)
Donde:
CO2med: Concentración de CO2 medida con un analizador de gases.
CO2max: Concentración máxima de CO2(ver tabla 21).
59
Si lo que se conoce es la concentración de O2, el EA se calcula a partir de la ecuación:
Donde: O2med: Concentración de O2 medida con un analizador de gases.
Tabla 21. Constante A para utilizar en la formula de Siegert dependiendo del tipo de carbón [22].
Combustible
Carbón bituminoso alto volátil B
Carbón bituminoso alto volátil C
Carbón tipo lignito
Carbón tipo lignito
4.5.
CO2max
A
PCS
(MJ/kg)
18.8
18.5
19.1
19.1
0.683
0.672
1.113
0.988
31.50
30.30
8.20
9.40
Optimización de la combustión
La optimización de un proceso de combustión tiene como objetivo controlar y ajustar
ciertos parámetros para alcanzar una óptima eficiencia de combustión y en algunas
aplicaciones especiales, obtener una determinada atmósfera: Neutra, oxidante y
reductora.
Para optimizar un proceso de combustión se requiere realizar previamente un diagnóstico
de combustión.
Los principales parámetros sobre los cuales se actúa en un proceso de combustión
son:
•
Ocurrencia de combustión incompleta, lo cual conduce a pérdidas de energía por
formación de CO, H2 e inquemados.
•
El contenido de calor sensible con que salen del equipo los productos de combustión,
el cual depende de exceso de aire y de la temperatura de salida de estos.
Con el propósito de examinar la sensibilidad de la eficiencia de combustión con base en
el PCS, en relación con la reducción de la formación de CO, medido en humos secos,
utilizando el programa COMBUGAS [20] para GN de la Guajira, con un exceso de aire
del 20 % (n = 1.2) y temperatura de salida de los gases de combustión del equipo de
250 °C, cuando se realicen los respectivos ajusten en los quemadores, se obtienen los
resultados que se muestran en la tabla 22.
Uso eficiente y racional de energía
Tabla 22. Incidencia de las emisiones de CO sobre la eficiencia de combustión
O2
CO2
CO
Eficiencia de
combustión con
base al PCS
6.0
4.5
3.8
7.0
8.7
9.5
2.14
0.80
0.21
66.34
75.0
78.7
Como puede observarse, existe una fuerte dependencia de la eficiencia de combustión
con la formación de CO. Para el exceso de aire se ha encontrado que su disminución
en un 15%, aumenta la eficiencia de combustión en un 1.0 %. Debe tenerse en cuenta
que dependiendo del combustible usado existe un rango del exceso de aire en el que los
quemadores están bien diseñados y ajustados. Estos rangos son:
•
•
•
Para el gas natural entre 5 y 20 %
Para el Fuel Oil entre 20 y 30 %
Para el carbón entre 30 y 50 %
En la tabla 23, para cada rango de exceso de aire para el GN y el Fuel Oil, teniendo
combustión completa, se presentan los valores de CO2 y O2 que aproximadamente debe
arrojar un diagnóstico de combustión.
Tabla 23. Concentraciones de O2 y CO2 para la combustión óptima del GN y el Fuel Oil, con diferentes
excesos de aire.
Exceso de aire
5%
Combustible
20 %
30 %
O2
CO2
O2
CO2
O2
CO2
GN de la Guajira
1.5
11.0
4.0
9.5
NA
NA
Fuel Oil N°2
NA
NA
3.8
12.8
5.0
12.0
En los procesos a temperaturas mayores de 400 °C donde no se implementan sistemas de
recuperación de calor, la eficiencia se ve fuertemente afectada. A manera de ilustración,
utilizando el programa COMBULIQUIDO [21], para Fuel Oil N°2, asumiendo combustión
completa y un exceso de aire del 30 %, se realiza una sensibilización del efecto de la
temperatura con que salen los gases de combustión de un horno, sobre la eficiencia de
combustión. Los resultados se presentan en la tabla 24.
61
Tabla 24. Efecto de la temperatura de los gases de combustión sobre la eficiencia de combustión
Temperatura (°C)
Eficiencia de combustión
400
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
72.62
66.73
60.71
54.55
48.26
41.83
35.27
28.60
21.78
De acuerdo a los resultados de la tabla 24, es evidente que en un contexto de uso
racional de la energía y de la atenuación de emisiones contaminantes provenientes
de la combustión de combustibles fósiles, se requiere optimizar los procesos de alta
temperatura para aumentar la eficiencia de combustión, ello es posible en la medida
en que se introduzcan sistemas de recuperación de calor para precalentar el aire de
combustión o los objetos a calentar.
En la figura 16, se presenta el ahorro de combustibles que se obtendría por precalentar
el aire de combustión para diferentes temperaturas de procesos, cuando se utiliza gas
natural. Como puede observarse, el orden de magnitud de los ahorros que se obtienen
son importantes.
Figura 16. Ahorro de combustible en función de la temperatura de proceso [17].
Las tecnologías disponibles para la recuperación de calor y precalentamiento de aire en
procesos de alta temperatura son [17, 23]:
•
•
Recuperadores de calor gas – gas
Regeneradores o autorregeneradores gas – sólido – gas
Uso eficiente y racional de energía
Bibliografía
[1] Energy Future Gas. US Geological Survey.
[2] Amell, A.A., Estimación de propiedades de combustión de combustibles gaseosos.
Ediciones CESET, Facultad de Ingeniería, Universidad de Antioquia, 2003.
[3] Baukal, C.E., Oxygen – Enhanced Combustión. CRC Press, 1998.
[4] Poola, R.B., Stork, K.C. and Sekar, R., “Variable Air Composition with Polymer
Membrane – A New Low Emissions Tool”, SAE Paper 980178, 1998.
[5] Milani, A., Saponaro, A., Diluted combustion technologies. IFRF Combustión Journal,
2001.
[6] Wünning, J.A. y Wünning J.G., Flameless oxidation to reduce thermal NO formation.
Progress in Energy & Combustion Science, 23(1):81–94, 1997.
[7] Gupta, A.K., Flame characteristics and challenges with high temperature air
combustion. En Proceedings of International Joint Power Generation Conference,
Miami Beach, Florida, 2000.
[8] North American Combustion Handbook. Volumen I. Third Edition, 1978.
[9] Association Technique de l’Industrie du Gaz en France. La combustion et les flammes,
Collection des techniques gazières, 1973.
[10] Arenas, E., Chejne, F., Londoño, C., Biomasa y Carbón: Una alternativa energética
para Colombia, 2006. ISBN: 958-33-9095-X.
[11] British Gas School of Fuel Management, Combustión Engineering and Gas Utilisation.
E&FN Spon. 1992.
[12] Área Metropolitana del Valle de Aburra, Caracterización de combustibles en sitios de
distribución, establecimientos comerciales, industriales y de servicios para verificar
su calidad. Informe Final, Contrato Nº162, Universidad Nacional de Colombia Sede
Medellín, 2006.
[13] ECOPETROL, Gerencia de gas natural, comunicación personal.
[14] www.ecopetrol.gov.co.
[15] www.oviedo.es/personales/carbon/carbon_mineral/carbon%20mineral.htm.
[16] Amell, A.A, Copete, L.H., Análisis de los parámetros para el diseño y la optimización
de un tubo radiante. Revista Facultad de Ingeniería, Universidad de Antioquia, N°
38, 2006.
[17] Ente Vasco de la Energía. Aplicaciones avanzadas del gas natural en procesos de
alta temperatura, 1998.
[18] Amell, A.A. y Gil, E. Herramientas Para el Uso Eficiente del Gas: Diagramas de
Combustión. Revista Facultad de Ingeniería, Universidad de Antioquia, No 15,
1997.
[19] Amell, A.A. y Gil, E. Herramientas Para el Uso Eficiente del Gas: Diagramas de
Eficiencia Térmica. Revista Facultad de Ingeniería, Universidad de Antioquia, No
16, 1998.
[20] Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas y Uso Racional de la Energía, Diagnósticos
de Combustión de Combustibles Gaseosos, Software COMBUGAS�.
[21] Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas y Uso Racional de la Energía, Diagnósticos
de Combustión de Combustibles Líquidos, Software COMBULIQUIDO�.
[22] www.habmigern2003.info
[23] Amell, A.A., Copete, L.H., Desarrollo y evaluación de un sistema de combustión
autorregenerativo y radiante para procesos de alta temperatura en PyMES. Revista
DINA, Nº 51, pp 61 – 69, marzo 2007.
63
6
Anexos
Ejercicio 1: Posibilidad de presentarse combustión
A continuación se presenta, la proporción en que se encuentran diferentes combustibles
en una mezcla con aire, así como la temperatura de esta. Suponiendo que la mezcla
enciende por ignición, analizar si es posible que se presente combustión.
Combustible
Metano
Propano
Hidrógeno
Etano
Temperatura de la
mezcla (°C)
500
493
572
450
Proporción en la
mezcla
10
8
50
18
Solución:
En la sección 2.4.3, se presentan las propiedades relacionadas con las condiciones para
que ocurra la combustión. De acuerdo con lo explicado en este texto se puede concluir
que:
•
La mezcla metano/aire, a pesar de encontrarse dentro de los límites de inflamabilidad
(5 – 15 %), se encuentra a 500 ºC, que es una temperatura inferior a la de ignición de
la mezcla (580 ºC), (Ver tabla 4), por lo tanto no se presentará combustión en este
caso.
•
Las mezclas propano/aire e hidrógeno/aire, están dentro de sus respectivos
intervalos de inflamabilidad y las temperaturas a las que se encuentran las mezclas
son superiores a las temperaturas de ignición, por lo que se concluye que sí existirá
combustión.
•
La mezcla etano/aire está por fuera de los intervalos de inflamabilidad y la temperatura
de la mezcla es menor que la de ignición, por lo tanto no existirá combustión.
Uso eficiente y racional de energía
Ejercicio 2: Ocurrencia de combustión
Supóngase que en un cilindro se encuentra aire a una temperatura determinada. Si al
inyectar un combustible al cilindro se forma una mezcla estequiométrica, y suponiendo
que la mezcla enciende por autoignición, analizar para las siguientes situaciones si
ocurre combustión:
Combustible inyectado
Metano
Acetileno
Propano
Etano
Temperatura de la mezcla (°C)
580
305
480
490
Solución:
Debido a que todos los combustibles se encuentran a sus respectivas temperaturas de
autoignición y como las mezclas al ser estequiométricas se encuentran dentro los límites
de inflamabilidad, entonces ocurrirá combustión (Ver tabla 4).
Ejercicio 3: Seguridad frente a límite de inflamabilidad
Si un detector de fuga o explosímetro se diseña para que la alarma de seguridad se
active cuando la composición del combustible en la atmósfera sea del 90 % del límite
inferior de inflamabilidad, para las siguientes situaciones analizar cuando se emitirá una
señal de seguridad.
Combustible
Composición del combustible
en la atmósfera
Metano (CH4)
Propano (C3H8)
Hidrógeno (H2)
Acetileno (C2H2)
3.5
1.8
3.6
2.25
Etano (C2H6)
2.7
Solución:
Exceptuando el CH4, la composición de los demás combustibles en la atmósfera
corresponde al 90 % del límite inferior de inflamabilidad, por lo que ocurrirá activación de
la señal (Ver tabla 4).
Ejercicio 4: Estequiometría
Determinar la cantidad de aire necesario, en kilogramos, para liberar un kWh de energía
en los siguientes combustibles: Carbón bituminoso, Fuel Oil 2, gas natural de la Guajira
y propano comercial.
65
Solución:
Este ejercicio se resuelve dividiendo la masa estequiométrica del combustible (Ver
tablas 3) entre el poder calorífico superior del combustible (Ver tabla 6 y 7, página 29).
Se tiene entonces que para:
•
El carbón:
•
Fuel Oil 2:
•
Gas natural de la Guajira:
•
Propano comercial:
Ejercicio 5: Diagnóstico de combustión
Durante un diagnóstico de combustión se encontró que el porcentaje de dióxido de
carbono (CO2) en humos seco es el registrado en la tabla, para los combustibles que se
listan, analizar si el orden de magnitud de la medición es confiable.
Combustible
Fuel oil 2
Fuel oil 6
Carbón bituminoso
Carbón antracita
Coque
Gas natural de Guajira
Gas natural de Cusiana
Propano comercial
Porcentaje de CO2
17%
18%
21%
22%
23%
13%
13%
15%
Solución:
Para todos los combustibles, debido a que los registros de porcentaje de CO2 son
mayores que el valor máximo que se puede alcanzar en cada combustible (Ver tabla 3),
el orden de magnitud de la medición no es confiable.
Ejercicio 6: Combustión
En un caldera industrial con una potencia térmica de 800 kW con base en el PCI, los
Uso eficiente y racional de energía
productos de combustión secos tienen la siguiente composición: CO2 8.0 %, O2 7.5 % y
temperatura de humos 300 ºC, el combustible es fuel oil No. 2.
a) Determinar el consumo de fuel oil si el poder calorífico inferior es de 42772 kJ/
kg.
b) Determinar el factor de aireación y el caudal de aire consumido en la combustión,
si la masa estequiométrica del fuel oil No. 2 es 14.1 kg/kgcomb
c) Diagnosticar el tipo de combustión.
d) La composición de humos secos.
e) Usando el diagrama de combustión, cómo realizaría el ajuste para optimizar el
proceso, sin disminuir la potencia térmica?
Solución:
a) Determinación del consumo de combustible: La potencia térmica queda definida
por:
PT = m g PCI m ⇒ m g =
PT
PCI m
Para el Fuel Oil Nº2,
PT = m g PCI m ⇒ m g =
kg
800kW
3600kJ
×
= 67.33 g
42772kJ / kg g 1kWh
h
b) Determinación del factor de aireación y del caudal de aire consumido: Del
diagrama de combustión para Fuel Oil Nº2 (Ver figura 15), con CO2 = 8.0 % y O2
= 7.5 %, se obtiene que el factor de aireación n es igual a:
n = 1.32
Ahora el caudal de aire consumido se obtiene empleando la siguiente
expresión:
Luego,
n=
m a
m g ( A / C )est
m a = n × m g ( A / C )est = 1.32 × 67.3
m a = 1252.6
kg a
h
kg g
h
×14.1
kg a
kg g
67
c) Tipo de combustión: combustión incompleta con exceso de aire. A esta conclusión
se llega utilizando el diagrama de combustión de la figura 15.
d) Composición humos secos: Del enunciado del problema se tiene que: CO2 =
8.0% y O2 = 7.5 %. Las composiciones de CO e H2 en humos secos se obtienen
utilizando el diagrama de combustión presentado en la figura 15. Por ejemplo,
para obtener la concentración de CO se tiene de dicha figura que la relación:
Luego,
Procediendo de la misma forma para el H2 se tiene que:
Entonces, la concentración de H2 en los humos será igual a:
e) Optimización de la combustión: Para optimizar la combustión se debe procurar
que las concentraciones de CO e H2 en los humos tienda a cero. Para lograrlo
se debe optimizar el funcionamiento del quemador o cambiarlo, si lo anterior es
imposible de lograr.
Ejercicio 7: Ahorro de energía
Un horno de fusión de cobre (temperatura de fusión 1200°C) opera durante 7500 horas al
año, utilizando como combustible gas natural de Guajira, el cual tiene un precio promedio
de 600 $/m3st. Al instalar un sistema de recuperación de calor se logra precalentar el
aire de combustión hasta 1000°C. Si la potencia térmica es de 500 kW con base al PCI,
determinar:
a) El ahorro anual de combustible en unidades de energía.
b) Evaluar económicamente el ahorro.
Uso eficiente y racional de energía
Solución:
Del gráfico de ahorro de combustible por recuperación de calor de los gases de
combustión (Ver Figura 16) se obtiene:
a) Con Ta = 1000 ºC y Tproceso = 1200 ºC, el ahorro en combustible será de 45 %
b) Evaluación económica del ahorro:
El consumo de energía sin recuperación de calor Está dado por la expresión:
Ahora, el ahorro de energía al utilizar recuperación de calor será igual a:
La economía que representa el implementar un sistema de recuperación de calor
se cuantifica con la siguiente expresión:
Economía=Ahorro anual×Precio del kWh
Es decir, que la empresa se ahorrará al año 1008 millones de pesos.