capítulo 13 1 Capítulo 13 Elementos de combustión Se entiendo por
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67.23/37 – UBA – Ing. O. Jaimovich Capítulo 13 Elementos de combustión Se entiendo por combustión al conjunto de fenómenos originados esencialmente en reacciones químicas de óxido reducción entre dos elementos (combustible y comburente), con liberación de energía en forma de calor. Esta energía es la que habitualmente se utiliza, ya sea en forma directa como en todos los casos en que se requiera calor, o bien con algún tipo de transformación, simple o múltiple, para obtener los otros dos tipos de energía que habitualmente se requiere, la energía eléctrica y la energía mecánica. Las reacciones antedichas se dan en los casos más comunes, entre elementos o moléculas con capacidad de oxidarse frente a un oxidante como el oxígeno del aire, a la temperatura que esa reacción se pueda llevar a cabo. Entonces, se podría entender como combustible a aquel elemento o molécula compuesta, susceptible de sostener reacciones de óxido reducción frente al oxígeno presente en el aire atmosférico cuando se lo lleva a las condiciones apropiadas (generalmente temperatura), liberando una determinada cantidad fija de energía en forma de calor, valor que constituye una característica intrínseca de ese elemento o molécula, y que se conoce como Poder Calorífico. En los procesos térmicos habituales, los combustibles más ampliamente utilizados son los llamados “hidrocarburos”, que son moléculas formadas prácticamente en forma exclusiva por átomos de carbono y átomos de Hidrógeno. Esas moléculas pueden provenir del procesamiento de sustancias naturales fósiles (carbón, petróleo, gas) o bien, de materia orgánica con distintos tipos de procesamiento previo, y se las puede simbolizar en forma genérica como CnHm Entonces, la reacción estequiométrica de combustión de un hidrocarburo será: I) CnHm + x O2 → y CO2 + z H2O + Q1 se cumple para t → ∞ si se desea efectuar la reacción en un tiempo finito, se tendrá II) CnHm + x O2 → y’ CO2 + y’’ CO + z’ H2O + Q2 con Q2 < Q1 si el tiempo disponible para la reacción disminuye, III) CnHm + x O2 → y’’’ CO2 + y’’’’ CO + y’’’’’ C + z’’ H2O + Q3 con Q3< Q2 reduciendo aún más el tiempo de reacción IV) C nHm + x O2 → y’’’ CO2 + y’’’’ CO + y’’’’’ C + y’’’’’’ C nHm + z’’’ H2O + Q4 con Q4< Q3 capítulo 13 1 67.23/37 – UBA – Ing. O. Jaimovich De lo anterior se desprende que a mayor velocidad, más incompleta es la reacción y menor la cantidad de energía obtenida en ella, además de mayor cantidad de productos de reacción contaminantes del medio ambiente. En la ecuación IV se puede apreciar el término correspondiente a lo que se conoce como “pérdida blanca” o combustible sin quemar. Además de considerar los efectos ambientales, surge de la simple lectura de las anteriores ecuaciones generales, que para una misma relación aire-combustible, la estequiométrica en este caso, cuanto menor sea el tiempo disponible para la reacción a una temperatura determinada, menor será el rendimiento en términos de calor o energía obtenida. Se puede entender este efecto desde el punto de vista de las probabilidades que cada átomo de la molécula del combustible encuentre el correspondiente de oxígeno, lo cual y para un determinado número en un recinto dado, resulta evidente que cuanto menor sea el tiempo disponible, menores serán las probabilidades de encuentro, y por ende, menores las probabilidades de obtener una reacción completa, o tan siquiera reacción incompleta, como en los casos II y III. Una posibilidad de atenuar el efecto negativo del menor tiempo disponible es aumentando por ejemplo el número de átomos de oxígeno presentes, es decir, “empobreciendo” la mezcla. De esta manera en principio, al disponerse de un mayor número de átomos de oxígeno, las probabilidades de encuentro y consiguiente reacción aumentan en igual proporción. Pero dado que dicho aumento de átomos de oxígeno se efectúa aumentando la cantidad de aire que se ingresa para la reacción, a menos que dicha masa de aire pueda ser precalentada previamente por medio de algún proceso previo de tipo recuperativo, lo que se hará es disminuir la temperatura final de los productos de la reacción, disminuyendo entonces la cantidad de calor disponible. Es decir, si bien la reacción se mejora desde el punto de vista químico, el rendimiento no aumenta en forma efectiva por efecto de la mayor masa fría incorporada. Otra posibilidad de mejorar la probabilidad de reacción, y por ende, el rendimiento en términos térmicos de la combustión sería aumentar la temperatura de la reacción, atento a que éste es un factor catalítico por excelencia. Si bien cada reacción tiene su temperatura características en condiciones normales, se puede aumentar dicha temperatura dentro de ciertos límites. En este caso también, pese a obtenerse en principio una mayor cantidad de calor producto de una mayor cantidad de reacciones completas, se producen reacciones de disociación de productos de combustión (H2O), que son esencialmente endotérmicos. Si bien una parte de ese calor absorbido en esos procesos colaterales es "devuelto” a la reacción general al recombinarse algunas moléculas, el efecto total del aumento de temperatura no representa una sensible mejora en el rendimiento de la combustión. Otro tema aparte, y por tratarse de combustiones técnicas en aire, lo representa la presencia de óxidos de nitrógeno en los productos de la reacción. Dichos óxidos, conocidos como “NOx”, representan una fuente importante de contaminación indirecta. Es importante recordar que la combustión, es decir, la reacción de óxido reducción se efectúa a nivel atómico y no molecular, por lo cual, para llegar a las condiciones de combustión, la molécula de combustible debe dejar en libertad a sus átomos que se oxidarán, es decir, que se debe pasar del estado molecular (menor energía) al estado atómico (mayor energía). capítulo 13 2 67.23/37 – UBA – Ing. O. Jaimovich Dicha energía normalmente la provee el estado correspondiente, justamente, a la temperatura de combustión. de agitación térmica Asimismo, favorecerá el proceso la mayor propensión que tenga el combustible para alcanzar el estado molecular primero y atómico después. Pero esa propensión es una característica intrínseca de la misma naturaleza del combustible. Concepto elemental de energización: Atento a lo expuesto, los distintos combustibles presentarán mayor o menor facilidad para alcanzar el estado atómico (reactivo). Es relativamente sencillo de comprender considerando el estado de agregación del combustible en condiciones de obtención: para llegar al estado atómico, el combustible debe alcanzar previamente el estado molecular; en algunos casos, como por ejemplo los combustibles que se obtienen en forma líquida, solamente es necesario vaporizarlos para tenerlos en forma molecular, es decir, hay que proporcionarles una determinada cantidad de energía previamente, y una vez en ese estado, pasan al estado reactivo, es decir, se cataliza la reacción por medio de la temperatura, es decir, con una cantidad extra de energía. Si el combustible fuese sólido en condiciones ambientales, probablemente fuese necesario para obtener una reacción de combustión con un rendimiento dentro de lo esperado y en los plazos disponibles, habría que fraccionarlo en partículas del menor tamaño posible (siendo necesario para ello proporcionarle una determinada cantidad de energía), para luego llevarlo al estado molecular proporcionándole una cantidad de energía equivalente al caso anterior (líquidos). Por lo tanto, surge que en general, los combustibles sólidos requieren una mayor cantidad de energía en forma previa para su combustión que los combustibles líquidos. Pero si el combustible a utilizar es gaseoso, significa que se lo obtiene directamente en estado molecular, por lo cual no es necesario proporcionarle energía alguna en forma previa. Es decir que se puede considerar que los distintos combustibles, y en particular por su estado de agregación, poseen un determinado grado de energización previo o interno, que hace que sus requerimientos en tal sentido sean menores, y por lo tanto, producen más fácilmente reacciones de combustión económicas. Para un combustible dado entonces, y para un determinado tiempo disponible para la combustión, mejor será el rendimiento de la misma cuanto mayor sea el grado de energización propia del combustible. En base a ello, se puede definir entonces, que todo combustible gaseoso será más fácil de quemar que cualquier combustible líquido, y que éstos en general, serán más fáciles de quemar que los sólidos. capítulo 13 3 67.23/37 – UBA – Ing. O. Jaimovich Energización: Tomemos por ejemplo, el caso de un combustible líquido liviano, derivado del petróleo, y consideremos varias posibilidades para quemar una determinada cantidad del mismo, por ejemplo, un litro. Para ello podemos considerar distintos tipos de recipientes: A B C En el recipiente A el combustible arderá durante más tiempo que en el B, y en éste, durante más tiempo que en el C. O sea que para las mismas condiciones, y por ser la combustión esencialmente un fenómeno superficial, a mayor superficie, mayor velocidad de combustión. Con respecto a los sólidos, pese a ello, pueden llevarse en forma relativamente sencilla a condiciones equiparables a las de un combustible gaseoso: en general se los trata de llevar al menor tamaño de partícula posible, y luego a ese polvo se lo suspende en aire caliente. Combustibles fósiles: Pese a que son esencialmente provenientes de formas diversas de biomasa, son considerados como una fuente no renovable porque no pueden ser regenerados. Y ello es así porque en la formación de cada uno de ellos, además de la biomasa original, fueron necesarios una serie de procesos que demandaron un tiempo muy prolongado (eras geológicas). Pero no solamente el tiempo fue un factor importante; los procesos en sí son los que permitieron la formación de esos combustibles, y dichos procesos estuvieron directamente vinculados con los procesos orogenéticos que dieron origen a la actual configuración del planeta. Como en todo planeta la orogénesis tiene un comienzo tumultuoso y luego va siendo cada vez más lenta hasta detenerse por completo, como en los planetas más antiguos del sistema solar, en la Tierra dichos procesos fueron amainando en intensidad luego de la conformación actual de los continentes y sus principales accidentes geográficos, al igual que el relieve del fondo oceánico, hasta la época actual, en la cual la actividad solamente se manifiesta por movimientos sísmicos esporádicos y más esporádicas aún erupciones volcánicas de diversas intensidades. Pero ya no se esperan formaciones geográficas nuevas o modificaciones de las existentes. Es por ello que no pueden ser reproducidas las condiciones que dieron origen a los yacimientos de lo que conocemos como combustibles fósiles. O sea que, pese a que el capítulo 13 4 67.23/37 – UBA – Ing. O. Jaimovich material básico (biomasa) se produce constantemente sostenido por la radiación solar, los combustibles fósiles no pueden volver a generarse en este planeta. Carbón Las gigantescas masas forestales, (grandes helechos arborescentes) cubrieron gran parte del planeta. En algunos puntos, grandes extensiones fueron cubiertas rápidamente por material sólido que le provocaba la muerte en forma instantánea, pero a su vez, preservó del ataque de bacterias y hongos la totalidad del material biológico, inclusive, al quedar éste ocluido, también se lo preservó del oxígeno del aire. Las sucesivas capas de sedimento fueron enterrando cada vez más a ese material, el cual fue sometido a presiones crecientes y también, temperatura. En los siguientes períodos los componentes fueron degradándose y transformándose, el carbono de las moléculas se fue fijando, y adquiriendo la estructura resultante características cristalinas. A su vez, se formaron moléculas de distintos tipos, algunas de bajo peso gaseosas, que quedaron ocluidas a su vez dentro de la masa cristalina. A medida que pasó el tiempo, ese material pasó a adquirir las características del carbón mineral que se conoce en la actualidad. A medida que aumenta la antigüedad del yacimiento, el carbón que se encuentra es más duro, cristalino y frágil, con menor proporción de sustancias grasas y volátiles. En una escala de mayor a menor antigüedad se tiene: q q q q q q Super antracita Antracita Hulla magra Hulla grasa Lignitos Turbas siendo los más antiguos los de mayor poder calorífico y limpieza en la combustión. El carbón fue el primer combustible fósil que aprendió a usar el hombre y el primero también en dejar de usar frente a los combustibles líquidos. Petróleo – Gas. En este caso, la materia orgánica original provino de gigantescas masas de fito y zooplancton marino. El comienzo del proceso de formación fue similar, en cuanto al hecho de que grandes masas quedaron repentinamente ocluidas a causa de desplazamientos y plegamientos de la “corteza” terrestre en los distintos procesos orogenéticos. A partir de dicha oclusión, los procesos continuaron a grandes presiones y temperaturas, durante las siguientes eras geológicas, transformándose ese material en una mezcla de hidrocarburos de cadena larga en fase líquida y otros de cadena corta en fase gaseosa. Por ello un yacimiento típico tiene la siguiente distribución: GAS PETRÓLEO AGUA capítulo 13 5 67.23/37 – UBA – Ing. O. Jaimovich Puede haber yacimientos de gas, es decir, con fase gaseosa preponderante, o de petróleo, con fase líquida preponderante, pero en general, en todos los yacimientos coexisten los tres componentes, siendo el agua el remanente del agua marina original. El gas natural posee por lo general, una composición mucho más pareja que los petróleos subyacentes. En general están formados por una mezcla de propano y butano no condensables, con otros hidrocarburos de cadena mediana o condensables, como la gasolina, que condensan en condiciones de presión y temperaturas ambientes. La diferencia local entre los distintos gases es entonces la diferente proporción de hidrocarburos condensables que contienen. A los fines de su utilización, dado que su transporte es habitualmente por tuberías bombeado a presión, es necesario entonces “desgasolinizarlo”, es decir, extraerle las fracciones condensables, para poder obtener gas natural seco. En cuanto a los petróleos, éstos sí tienen una mayor variación de composición según su origen, es decir, la localización geográfica del yacimiento. Su color y aspecto pueden variar desde el negro y viscoso hasta el color amarillo y fluido, según sean las proporciones de las distintas fracciones: moléculas pesadas, medianas y livianas. Asimismo, variarán otros componentes inorgánicos, como el azufre y metales pesados, además de inertes como cenizas. Dada la gran diversidad de composiciones, intentar su utilización en forma directa solamente sería factible en pequeña escala. Es por ello que, a los efectos de su utilización, se procede a separarlo en sus distintos componentes, separados por temperaturas de condensación diferentes (pesos y estructuras moleculares diferentes), mediante el proceso de destilación fraccionada. Costo y valor: Para entender las componentes del costo de un determinado combustible se puede analizar el caso simplificado de un derivado del petróleo, en cuyo caso se tendría: q q q q q q q q q q q Costo de prospección y cateo. Costo de análisis de factibilidad. Costo de perforación y captación. Costo de transporte y almacenamiento en destilería. Costo de destilación. Costo de almacenamiento y bombeo en destilería. Costo de transporte y distribución. Costo de comercialización. Utilidades. Impuestos. Subsidios. En cada caso se tratan de valores que pueden variar de acuerdo a distintos factores tales como productividad de cada uno de los sectores de la producción, niveles de rentabilidad fijados en cada uno de las actividades, nivel de los impuestos y/o subsidios que en cada capítulo 13 6 67.23/37 – UBA – Ing. O. Jaimovich caso se apliquen, y todos ellos pueden variar con el país donde se efectúen tanto la extracción, como la producción y el consumo, y en un mismo país, con el momento o el estado de su economía. En una palabra, cuando se habla de costos referidos a un combustible, se manejan un conjunto de variables extrínsecas al mismo, es decir, que no dependen directamente de su naturaleza. En cambio, si se quiere tener idea del valor de un combustible hay que considerar aspectos como los siguientes: q q q q q q q q q q q q q q q Poder calorífico Punto de ebullición Temperatura de ignición Densidad Viscosidad Contenido de agua % Contenido Azufre % Contenido metales pesados % Contenido cenizas Corrosividad Formación de residuos Explosividad Estabilidad con la temperatura Estabilidad con el tiempo Requerimiento energético para la combustión práctica los cuales son esencialmente propiedades intrínsecas del combustible en cuestión, es decir que dependen de su naturaleza. De esta forma, se puede entender que algunos combustibles de muy alto valor, como por ejemplo el gas natural, tengan un costo bajo. Normalización: A medida que aumenta la escala de utilización de un combustible determinado, comienzan a cobrar importancia cada una de las propiedades intrínsecas del mismo para mantener los costos operativos del usuario dentro de lo previsto. Es por eso que los usuarios en general pretenden que el combustible que compran no solamente tenga las propiedades requeridas, sino que también buscan la constancia de las mismas como requisito básico. Es decir que de ser posible, no querrían variaciones en las mismas. Pero eso mismo visto desde el punto de vista del productor de dicho combustible implica una exigencia de calidad que atenta contra sus costos de producción, conviniéndole poder vender el combustible tal y como le sale de producción a los costos previstos. Como se ve, esas dos posiciones no pueden compatibilizarse espontáneamente. En general ocurre algo similar para la mayoría de los bienes de uso masivo que resulten insumos de procesos productivos y / o constructivos. USUARIO capítulo 13 PRODUCTOR 7 67.23/37 – UBA – Ing. O. Jaimovich A efectos de compatibilizar ambas posiciones se recurre por lo general a un tercer protagonista, que es el Ente Normalizador nacional o internacional. ENTE NORMALIZADOR USUARIO PRODUCTOR El Ente, a pedido de cualquiera de las partes, y en base a antecedentes que dispone por interactuar con sus pares del resto del mundo, conforma un Comité de Norma, con representantes de los usuarios, de los productores, y con la coordinación de uno o más miembros del ente. Entonces se compatibilizan cada uno de las propiedades intrínsecas sobre la base de las posibilidades concretas de ambas partes, y tratando que en cada caso exista la mayor concurrencia de ofertas. La compatibilización implica fijar los valores de cada propiedad, y su correspondiente tolerancia, expresada generalmente en porcentual del valor fijado, sea en más, en menos, o en ambos sentidos: Valor ± ∆% Asimismo, y a efectos de eliminar controversias, también se fija en cada caso el método y protocolo de medición o verificación, que puede incluir tipo de aparato, calibración, patrones, etc. Una vez consensuada la norma, se le da publicación fehaciente, y luego de la s correspondientes verificaciones por parte del Ente Normalizador (IRAM en la Argentina), los productores que adhieran a la norma y fundamentalmente la cumplan, podrán incluir en su publicidad, envases, etc., dicho cumplimiento, mediante por ejemplo, el uso del logo isotipo del Ente. (“Sello IRAM de calidad”). La intercambiabilidad de los productos normalizados, en este caso los combustibles, está asegurada porque en cada país el ente normalizador tiene en cuenta al resto de las normas vigentes al respecto en los demás países antes de promulgar la suya. Quemadores: Si se considera que la primera etapa de transformación de la energía en los procesos para obtener alguna de las formas de energía requeridas a partir de un combustible como vector energético primario, con excepción del calor en sí, es justamente la combustión; y que la misma se cumple en el trasductor genéricamente llamado “quemador”, es indudable su importancia en el proceso. Se detallarán a continuación en forma elemental, los dispositivos correspondientes para combustibles sólidos, líquidos y gaseosos, de cualquier origen. Combustible sólido: Fue el primer tipo de combustible que el hombre aprendió a utilizar. En un principio se quemó en hogares de parrilla fija. El combustible, carbón mineral, se utilizó en trozos con granulometrías variadas, generalmente tal cual resultaba de la extracción. capítulo 13 8 67.23/37 – UBA – Ing. O. Jaimovich En estos casos, la cantidad de calor generada fue muy limitada, sirviendo solamente para usos domésticos o industriales en muy pequeña escala. Asimismo, con estos dispositivos no fue posible mantener un flujo de calor constante, independientemente de su magnitud. . Q HOGAR BOCA DE CARGA PARRILLA DESCARGA DE CENIZAS A medida que se aumentó la escala de utilización, los requerimientos en cuanto al flujo de calor se hicieron crecientes, adoptándose entonces hogares de parrilla mecanizada: TOLVA DE CARGA . Q TOLVA DE CENIZAS VÁLVULA ROTATIVA ENTRADA DE AIRE PARRILLA FLEXIBLE RODILLO TRACTOR Este tipo de solución permitió aumentar la escala en concordancia con los requerimientos de la incipiente generación eléctrica en base a máquinas térmicas, llegándose a tener hogares de hasta dos parrillas mecanizadas en paralelo. capítulo 13 9 67.23/37 – UBA – Ing. O. Jaimovich Pero la utilización del combustible sólido (carbón mineral) en trozos. Por más que la utilización de carga mediante proyección por válvula rotativa requirió el uso de combustibles con granulometrías más parejas y calidad constante, se topó con un límite superior en cuanto al flujo de calor capaz de generar, dado que el mismo proceso de combustión no pudo ser apurado más allá de lo que permitía la sincronización con el volcado de cenizas. Al aumentar entonces los requerimientos térmicos por encima de dicho límite, sencillamente se dejó de usar carbón para generar energía eléctrica en gran escala. De igual forma, el proceso de producción del combustible, desde la extracción en el yacimiento hasta llegar con granulometría controlada a la tolva de carga, requería un largo y costoso proceso, que para colmo, generaba un gran porcentaje de rezago inutilizable en forma de finos, ya que el carbón mineral es esencialmente frágil. Esa merma entonces, no hizo más que elevar aun más el costo del combustible. Solamente cuando se concibió la forma de quemar combustibles sólidos en polvo, y en suspensión en aire caliente, se pudo volver a utilizar el carbón, al igual que otros combustibles sólidos, en las escalas compatibles con la generación eléctrica actual. El proceso se basa en reducir la totalidad del combustible a partículas lo más pequeñas posibles para luego mezclarlas con aire precalentado. La “niebla” así resultante se puede introducir por medio de toberas en los hogares, quemándose prácticamente como si se tratara de un combustible gaseoso. carbón polvo de carbón MOLINO carbón en lecho fluidificado ventilador CALENTADOR MEZCLA QUEMADOR Combustible líquido: Los dispositivos que se usan tienen por objeto aumentar la superficie del combustible líquido para favorecer su evaporación y posterior combustión. Para ello, primero lo dividen en gotas lo más pequeñas posible, de acuerdo a la densidad y viscosidad del material y a la presión disponible, luego mezclan esas gotas con aire en lo posible precalentado y con la mayor turbulencia, de forma de proveer un chorro de gotas y vapor que en presencia de las llamas del hogar, se quemen totalmente en el lugar y tiempo disponible. Un esquema típico es: DEFLECTORES CÁMARA DE MEZCLA AIRE COMBUSTIBLE NIEBLA PASTILLA LANZA capítulo 13 10 67.23/37 – UBA – Ing. O. Jaimovich En general los quemadores pueden funcionar con una gama de combustibles distintos, con densidades y viscosidades similares, pudiéndose cambiarles la pastilla para adaptarlos. Asimismo, para los combustibles más viscosos, dado que no se puede operar a presionas tan grandes como para producir la pulverización necesaria en los agujeros de la pastilla, además de precalentarlo para disminuir su viscosidad, se lo mezcla con vapor vivo del generador de vapor, de forma que a los orificios de la pastilla llegue emulsionado, con lo cual su viscosidad es mucho menor y por ende mejora la pulverización. La misión entonces del quemador es producir una pulverización lo más fina posible del combustible líquido para favorecer su rápida evaporación en la cámara de mezcla y a la salida de la boquilla, de forma que llegue a la llama perfectamente gasificado. Asimismo, el quemador debe formar la llama adaptándola a la geometría del hogar: De igual forma, de acuerdo a la alineación de los quemadores respecto del eje del hogar, así será el tipo de circulación general de los gases en el mismo. c - Combustible gaseoso: Los combustibles gaseosos no requieren la energización previa de los sólidos y los líquidos, por lo que la misión del quemador e solamente efectuar la mezcla con el aire y conformar el tipo de llama adecuado al hogar o el uso. Uno de los quemadores más sencillos consiste en un caño anular con orificios en su circunferencia interna: GAS AIRE GAS GAS capítulo 13 11 67.23/37 – UBA – Ing. O. Jaimovich Existen otros tipos de quemadores, más sofisticados, con mezcla mecánica, para los mayores caudales de gases combustibles: GAS AIRE Este dispositivo, tipo “Fan-Mix”, utiliza la presión de eyección del gas en los bordes de fuga de una hélice para producir el giro de la misma, la cual impulsa el aire a la vez que lo mezcla con el gas, sosteniendo una llama corta y muy energética y con fuerte componente torsional. Los combustibles gaseosos no requieren la energización previa de los sólidos y los líquidos, por lo que la misión del quemador e solamente efectuar la mezcla con el aire y conformar el tipo de llama adecuado al hogar o el uso. Uno de los quemadores más sencillos consiste en un caño anular con orificios en su circunferencia interna: capítulo 13 12
