COMBUSTIBLES INDUSTRIALES I. Introducción: Los combustibles industriales son hoy en día usados como fuente de energía en todo el planeta, su importancia es vital para el desarrollo del ser humano, esto debido al avance tecnológico que se ha suscitado en el desarrollo de la humanidad. Debemos de resaltar que dado a la mejora en la tecnología y a los avances en la industria, no todos los combustibles que existían o que usábamos siguen rindiendo tal como requerimos, ya que en el presente no solo se exige una mejor calidad en estos, sino que también deben de cumplir las exigencias de control de calidad exigidas por cada empresa, de acuerdo a lo establecido por cada una. Se debe de tener en cuenta solo aquellos combustibles que produzcan la menor contaminación ambiental posible, dado a que hoy en día nuestro planeta está pasando por serios momentos dado a este problema, al que conocemos como calentamiento global El desarrollo del presente trabajo nos muestra muchas de las propiedades de los combustibles industriales más usado en la actualidad, cabe resaltar que muchos de estos en un futuro no muy lejano serán reemplazados, dado a que no cumplen con los requerimientos exigidos, o dado a que su eficiencia ya no es tan buena como en épocas anteriores. Un estudio detallado de estos combustibles servirá mucho para el desarrollo de la industria así como para la mejora de la eficiencia de las máquinas industriales, ya que estas se mueven en base a dichos combustibles. Cada vez se opta más por los combustibles gaseosos y se deja de lado a los combustibles sólidos, sobre todo a los derivados del carbón, en un futuro es posible que este medio de energía se limite al máximo. Tal como vemos en la actualidad, que el carbón se utiliza fundamentalmente como combustible para plantas de generación eléctrica y en la industria siderúrgica en la fabricación de acero. II. Fundamentos Teórico: ➢ Introducción a los Combustibles Industriales: ✔ Los combustibles industriales son todos aquellos empleados en la industria para diversos objetivos, por ejemplo, tenemos los generadores de potencia que normalmente son usados en calderas de vapor; así como también aquellos que sirven específicamente como fuente de alimentación para diversas maquinarias y objetivos en general. ✔ Hay que tener en cuenta que la rama de los combustibles industriales es muy amplia, entre estos podemos nombrar aquellos que son derivados del carbono , conocidos como combustibles fósiles, así también los derivados del petróleo, y otro hoy en día muy importante el gas natural. ✔ Pero trataremos de estudiar los más importantes; en su defecto tenemos: ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ Madera y residuos Naturales: Turbas Sólidos: Carbón, Lignitos Artificiales: Hullas Antracita Coque Líquidos: Residuales Kerosene Gas−oil Diesel−oil Gas natural Gas de alumbrado Acetileno Gas de agua Gas de aire Gas pobre o mixto Gas de alto horno ✔ NOTA: Los combustibles derivados del petróleo en algunos casos son altamente volátiles, y a su vez muy inflamables por lo que son utilizados, sobre todo, como combustible para motores a explosión. Su poder calorífico es 11000 cal / Kg. ➢ Poder Calorífico: – La unidad que se emplea para medir la cantidad de calor desarrollada en la combustión se la denomina poder calorífico. – Se entiende por poder calorífico de un combustible, la cantidad de calor producida por la combustión completa de un kilogramo de esa sustancia. Tal unidad se la mide en cal/kg de combustible. Si la cantidad de combustible que se quema es un mol, el calor desprendido recibe el nombre de efecto térmico (poco usado). De la diferencia entre el poder calorífico superior (NS) y el poder calorífico inferior (NI) se obtendría uno u otro según el estado de agregación que forma parte de los productos de combustión. Si la temperatura de los productos finales de combustión es tal que el vapor de agua que se ha formado continué en ese estado, tendremos el poder calorífico inferior del combustible (NI). En cambio, si la temperatura de los productos finales es suficientemente baja como para que aquella se condense, tendremos el poder calorífico superior del combustible (NS). La diferencia entre ellos será igual el calor desprendido por la condensación del agua. – – A todo esto: ¿Qué es el poder calorífico superior?, ¿Qué es el poder calorífico inferior? Poder Calorífico Superior (NS) – Se denomina poder calorífico superior, como aquella energía que es liberada por una unidad de masa del combustible, en combustión completa, una vez que los gases de combustión han regresado a la temperatura inicial del combustible. Esto es, el máximo poder térmico que se puede lograr de un combustible. Poder Calorífico Inferior (NI) – El poder calorífico inferior se estima restándole al NS, la cantidad de energía que se pierde como calor latente debido a la humedad presente en el combustible ✔ NOTA: Mediante el poder calorífico se puede determinar con facilidad el consumo de combustible – flujo másico– que se requiere para dicho proceso. Hacemos notar que lo viso hasta ahora, son conceptos previos que nos ayudarán a una mejor comprensión de lo que veremos a continuación, no es la esencia de nuestro trabajo pero sí una parte fundamental en el desarrollo del presente. I. Poder Calorífico de Combustibles Industriales: Ahora, emplearemos los conceptos hasta ahora estudiados y analizaremos el poder calorífico de los principales combustibles industriales. Hemos visto que los combustibles industriales pertenecen a una amplia gama, los podemos obtener tanto de combustibles fósiles, de los derivados del petróleo así como del gas natural. También se pueden clasificar en combustibles sólidos, líquidos artificiales y gaseosos. Veamos primero su uso y algunos lugares de extracción (adjuntaremos en ello sus poderes caloríficos, para luego expresar de manera más concisa estos en un tabla que resuma lo dicho): Combustibles Sólidos: – Entre ellos podemos destacar: ○ Maderas: utilizados como combustibles en bosques o en estufas hogareñas (poder calorífico hasta 4500 cal /Kg. secos). ○ Carbones fósiles: cuantos más antiguos son los restos orgánicos y mayores presiones soportan, mayor es la cantidad del carbón. ○ Antracita: son los carbones más antiguos. Tienen gran contenido de carbono y pocos materiales volátiles y oxígeno. (NS = 7800 a 8600 cal /kg). ○ Hulla: son los carbones más utilizados en la industria, se distingue tres tipos: hulla seca, hulla grasa y la hulla magra. Hulla seca: hornos de arrabio y en la producción de coque metalúrgico. (NS = 7500 cal / kg.) Hulla grasa: en la producción de gas alumbrado y coque. (NS = 8300 a 8600 cal / kg.) Hulla magra: desprende pocas materias volátiles. (NS = 7900 a 8370 cal / kg.). Todas las hullas son de color negro o gris oscuro. ○ Lignito: son combustibles que proceden de la carbonización natural de la madera. Al quemarse desprende el azufre provocando mal olor y daños en metales y estructuras. Hay dos tipos distintos: Lignitos perfectos: más antiguos (poder calorífico = 6000 cal / Kg.) Lignitos leñosos: más jóvenes (poder calorífico = 5000 a 5700 cal /Kg.) ○ Turba: son carbones de menor calidad. De 3200 a 4000 cal / Kg. = NS. ○ Carbón vegetal o de leña: provienen de la carbonización de la madera. NS = 6000 a 7000 cal / Kg., no contiene azufre. Combustibles Líquidos artificiales: – Entre estos combustibles ubicamos a los derivados del petróleo. – – Los petróleos están constituidos por distintos hidrocarburos, de distintos grados de densidad y volatilidad. La diversidad en las proporciones en los elementos que los componen, hacen que difieran fundamentalmente las características del petróleo obtenido en lugar con respecto al obtenido en otro sitio. Veamos algunos (más usados en la industria): ○ Nafta: Es un combustible altamente volátil, muy inflamable y es utilizado, sobre todo, como combustible para motores a explosión. Su poder calorífico es 11000 cal / Kg. ○ Kerosene: Constituye un derivado menos volátil e inflamable que la nafta. Su poder calorífico es de 10500 cal/ Kg. Se utiliza en calefacción y en las turbohélices y reactores de las turbina de gas de los motores de aviación. ○ Gas−oil: es denso, menos volátil que el petróleo. Su poder calorífico es igual a 10250 cal / Kg. Se lo utiliza mucho en calefacción y para hornos industriales y metalúrgicos. ○ Diesel−oil: es un subproducto obtenido de los derivados más pesados del petróleo. Se quema más lentamente que el gas−oil. Se utiliza sólo en motores Diesel lentos en los cuales el combustible dispone más tiempo para quemar. Su poder calorífico es de 11000 cal / Kg. ○ Fuel−oil: es un subproducto obtenido de los derivados más pesados del petróleo. Se quema con dificultad. Su poder calorífico es igual a 10000 cal / Kg. ○ Alquitrán de hulla: es un subproducto obtenido de la fabricación del coque. Puede quemar directamente pero se lo utiliza poco como combustible, usándolo sólo en hogares especiales para este, que puedan vencer la viscosidad del mismo. Su poder calorífico es de 9100 cal /Kg. ○ Alquitrán de lignito: se lo obtiene de la destilación del lignito. Su poder calorífico es 9600 cal / Kg. Es muy similar al gas−oil, pero al utilizarlo en motores diesel, su comportamiento es muy inferior del de los derivados del petróleo. Combustibles Gaseosos: – – – – El estado gaseoso de los combustibles es que mayor facilidad brinda para que se produzca una eficiente combustión, la cual recibe el nombre de explosión. La facilidad de acceso del aire a las diversas partículas del combustible, hace que la propagación se efectué en forma rápida. Si la presión o la temperatura, alcanza un valor por arriba de un límite determinado, la propagación adquiere valores muy grandes y deja de ser una explosión para ser una detonación, en la cual la velocidad de la reacción química que se produce sea mucho mayor. La velocidad de propagación en una onda detonante, para una combustión de hidrógeno y oxígeno puro alcanza un valor 2000 m/seg. – Para el acetileno 425 ºC Para el metano 700 ºC Para el hidrógeno 585 ºC Para el óxido de carbono 650 ºC Los combustibles gaseosos son los que mejores condiciones tienen para entrar en combustión, veamos los más usados en la industria: ○ Gas natural: Es el gas que se obtiene directamente de los yacimientos petrolíferos. Este gas es el encargado de empujar al petróleo a la superficie. Su uso es muy utilizado en los alrededores de los yacimientos. Su poder calorífico es de 9500 cal / m3. ○ Gas de alumbrado: Se lo denomina también gas de hulla. Se lo obtiene de la combustión incompleta de la hulla. Por cada 100 Kg. de carbón que se carbonizan, se obtienen unos 30 ó 35 metros cúbicos de gas de alumbrado. Es un excelente combustible, usado principalmente para usos domésticos y para pequeños hornos industriales. Su precio es elevado. Su poder calorífico es de entre 4380 y 5120 cal / m3. ○ Acetileno: Se obtiene del tratamiento del carburo de calcio del agua. Es un excelente combustible. Su poder calorífico es superior a 18000 cal / m3. ○ Gas de agua: Se obtiene haciendo pasar vapor de agua a través de una masa de carbón de coque incandescente. Su poder calorífico es de 2420 cal / m3. ○ Gas de aire: Se lo obtiene haciendo pasar aire por un manto de hulla o lignito incandescente de gran espesor. Su poder calorífico es de 1080 cal / m3. ○ Gas pobre o mixto: se lo obtiene haciendo pasar una corriente de aire húmedo, es decir, una mezcla de aire y vapor de agua a través de una masa de gran espesor de hulla o lignito incandescente. La mezcla de vapor de agua y aire, quema parcialmente, produciendo cantidades variables de oxido de carbono e hidrógeno, estas sustancias van a constituir los elementos activos del gas mixto. Tiene un poder calorífico de entre 1200 y 1500 cal / m3. ○ Gas de altos hornos: Se obtiene de los hornos de fundición. Al cargar un alto horno con mineral para obtener lingotes de hierro, se desprende una serie de gases que salen parcialmente quemados y pueden ser posteriormente utilizados en la misma planta industrial como combustible. Se los utiliza principalmente para la calefacción o para la producción de fuerza motriz. Su poder calorífico es de 900 cal / m3. ✔ Veamos, algunas tablas de resumen: • PODER CALORIFICO DEL CARBÓNY OTROS COMBUSTIBLES SOLIDOS: • PODER CALORIFICO DE COMBUSTIBLES LIQUIDOS: • I. PODER CALORIFICO DE COMBUSTIBLES GASEOSOS: Reacciones de combustión de los combustibles gaseosos: La reacción de combustión se basa en la reacción química exotérmica de una sustancia (o una mezcla de ellas) denominada combustible, con el oxígeno. Como consecuencia de la reacción de combustión se tiene la formación de una llama. Dicha llama es un masa gaseosa incandescente que emite luz y calor. Entre las reacciones de combustión tenemos las siguientes: • – Reacción de combustión del Gas Natural: La composición del gas natural incluye diversos hidrocarburos gaseosos, con predominio del metano, por sobre el 90%, y en proporciones menores etano, propano, butano, pentano y pequeñas proporciones de gases inertes como dióxido de carbono y nitrógeno; así tenemos: ○ • CO2 + 2 H2O + 890 kJ/mol Reacción de combustión del Acetileno: ○ • CH4 + 2 O2 C2H2 + O2 H2O + CO2 Reacción de combustión del Hidrógeno: ○ 2H2 + O2 2H20 • Reacción de combustión del Carbono: ○ ○ ✔ – – C02 Reacción de combustión del Azufre: • – C + 02 S + 02 SO2 Debemos tener presente que existen aplicaciones de las reacciones de combustión: Las reacciones de combustión son muy útiles para la industria de procesos ya que permiten disponer de energía para otros usos y generalmente se realizan en equipos de proceso como hornos, calderas y todo tipo de cámaras de combustión. En estos equipos se utilizan distintas tecnologías y dispositivos para llevar a cabo las reacciones de combustión. Un dispositivo muy común denominado quemador, produce una llama característica para cada combustible empleado. Este dispositivo debe mezclar el combustible y un agente oxidante (el comburente) en proporciones que se encuentren dentro de los límites de inflamabilidad para el encendido y así lograr una combustión constante. Además debe asegurar el funcionamiento continuo sin permitir una discontinuidad en el sistema de alimentación del combustible o el desplazamiento de la llama a una región de baja temperatura donde se apagaría. Adjuntamos a continuación una tabla que resume las reacciones de combustión de combustibles gaseosos: Composición Reacción de combustión Element % (Kg) Oxidación o C A C+O2 CO2 (1:1: 1) H2 Moles n B Comburente nO2 Gases de combustión Component Moles e CO2 nCO2=nC H2O nH2O=nH2 SO2 nSO2=nS H2+½O2 H2O (1:½ 1) S D S+O2 SO2 (1: 1: 1) nGc=∑ni I. Capacidad de aire para combustión: ✔ Antes debemos definir la combustión estequiométrica que se define como la cantidad exacta de oxígeno y combustible para que se alcance la mayor cantidad de calor. En la mayoría de los combustibles fósiles, los elementos químicos que reaccionan con el oxígeno para liberar calor son el carbono y el hidrógeno. – – – El Oxígeno necesario para la combustión, normalmente, es suministrado a través de una corriente de aire. Para conseguir la combustión completa del combustible tenemos que garantizar que existe el suficiente Oxigeno para ello. Para conocer la cantidad de oxígeno necesario recurriremos a estudiar la estequiometria de las reacciones de combustión. Por ejemplo, la reacción química que se produce en la combustión de un hidrocarburo simple como el metano se puede expresar como: CH4 + 2O2 CO2 + 2 H2O – – – – – I. – – – En la ecuación vemos que para quemar un mol de metano es necesario suministrar 2 moles de O2, o lo que es lo mismo para quemar un metro cúbico normal de metano necesitaremos dos metros cúbicos normales de Oxigeno. A efectos prácticos consideraremos el aire compuesto, en volumen, por un 21% de Oxígeno y un 79 % de Nitrógeno (gas inerte que no contribuye a la combustión). Por ello el volumen de aire a aportar al sistema es aproximadamente cinco veces el volumen de Oxígeno necesario. Una operación de combustión como ésta se llamaría completa y perfecta. La operación sería completa porque todo el carbono se habría convertido en dióxido de carbono (CO2) y todo el hidrógeno en agua (H2O). También sería perfecta por haber cantidad suficiente de oxígeno para quemar todo el carbono y el hidrógeno sin que quedase oxígeno o aire. Idealmente, se quiere proveer la cantidad justa de aire para quemar completamente todo el combustible, pero esto resulta difícil de alcanzar por inadecuadas mezclas de aire y combustible, rendimiento de los quemadores, fluctuaciones de operación, condiciones ambientales, y desgaste del quemador, entre otras razones. Para garantizar que el combustible es quemado y que muy poco o nada escapa en los gases de combustión, se provee una cierto exceso. Para garantizar que este exceso de aire no sea mayor que el requerido, se mide el excedente de oxígeno en el gas de combustión, y para asegurar que la cantidad de hidrógeno o monóxido de carbón en el gas de combustión está minimizada, se deben medir los combustibles no quemados. Forma y geometría de la llama: La llama se define como el medio gaseoso en el que se desarrollan las reacciones de combustión; aquí es donde el combustible y el comburente se encuentran mezclados y en reacción. La llama puede adoptar diferentes formas, según el medio técnico, y también la forma del quemador. Esto es así porque el quemador es donde se pulveriza el combustible para que entre en contacto con el aire. El frente de llama es la zona que marca la separación entre el gas quemado y el gas sin quemar. Aquí es donde tienen lugar las reacciones de oxidación principales. El espesor – – – – del frente de llama puede ir desde menos de 1mm hasta ocupar totalmente la cámara de combustión. La propagación de la llama es el desplazamiento de ésta a través de la masa gaseosa. Se efectúa esta propagación en el frente de llama. La velocidad de propagación va a depender de la transmisión de calor entre la llama y las zonas contiguas (gases quemados y no quemados). Cuando los gases sin quemar alcanzan la temperatura de ignición, entonces empezarán a sufrir la combustión. Para que la llama comience y quede estable, se debe estabilizar el frente de llama. Para ello, se debe coordinar la velocidad de escape de gases y de propagación de la llama con la entrada de comburente (aire) y combustible. Para que tenga lugar la combustión es necesario que se alcance la temperatura de ignición, que es aquélla a la cual la mezcla combustible/comburente no se extingue, aunque retiremos la llama de encendido. La forma de la llama nos indica si la combustión es rica o pobre. En los estudios sobre las zonas de la llama se especifican estas partes 1.- Cono frío: no llega oxígeno 2.- Cono de reducción: poco oxígeno 3.- Cono de oxidación: abundancia de oxígeno 4.- Zona de fusión: alcanza los1500 ºC ➢ En tanto a la geometría de la llama, tenemos: ○ I. Es un conjunto de valores geométricos que caracterizan un frente de llamas: altura de llama, longitud, profundidad y ángulo de llama sobre el eje vertical: Longitud de llama: Es la distancia de la llama desde la base hasta el extremo. Si la llama está inclinada lo que cuenta es su longitud, no la altura, en metros. Profundidad de llama: Ancho de la zona dentro de la cual se producen llamas en forma continua, por detrás del borde del fuego. Altura de llama: Altura media de las llamas, medida en un eje vertical axial. Cuando la medición es efectuada para caracterizar el comportamiento del fuego, la altura de llama se mide en el frente de fuego. Ángulo de llama: Ángulo comprendido entre el eje longitudinal de la llama y la superficie horizontal. Limitación de aire para combustión: ✔ La limitación de aire se da cuando en la reacción de combustión, parte del combustible no se quema (o parte de este), este es un caso de combustión estequiométrica con defecto de aire. ○ ○ ○ Reacción de combustión en la que el suministro de aire (oxigeno) no es suficiente para que se produzca la oxidación total del carbono presente en el combustible. El aire o oxigeno suministrado es inferior a la cantidad estequiométrica o teórica. Debido a la ausencia de oxigeno suficiente para la reacción; no todo el carbono se transforma en CO2, apareciendo en los gases de la combustión monóxido de carbono (CO) e hidrógeno (H2) o inquemados sólidos como el hollín. Estos inquemados incrementan los costos de generación de energía térmica, siendo necesario tomar medidas correctivas en presencia de ellos. Nunca se debe operar un quemador con menos aire que el requerido estequiométricamente para la combustión. No sólo resultaría en una chimenea humeante, sino que reduciría significativamente la energía total liberada en el proceso debido al combustible no quemado. Si un quemador es operado con una deficiencia de aire, no se quemará todo el combustible y la cantidad de combustibles (CO y H2) en los gases de combustión se incrementa: Límites admisibles: – – Las instalaciones de combustión pueden provocar problemas de contaminación, por una parte por los humos que salen por las chimeneas, pero por otra también pueden deteriorar la calidad del aire ambiente, debido a escapes de humos hacia los locales; esta última situación es más peligrosa cuando se utilizan calderas atmosféricas con cortatiros, o aparatos a gas No Conectados a conducto de evacuación de humos. Evidentemente los niveles máximos permitidos son diferentes para las emisiones al exterior que para las inmisiones a los locales; ya que las primeras se dispersan en la atmósfera diluyéndose en la misma y las segundas afectan directamente a las personas. Límites de emisión: ○ En las instalaciones de climatización los limites de emisión, actualmente solo están reglamentados para el CO; los mismos son: - RITE < 1.000 ppm. (ppm = partes por millón). - País Vasco: para Gas < 800 ppm, para valores entre 400 y 800 ppm se debe revisar el equipo. ○ Deben ser No Diluidos, o Corregidos, es decir referidos a la combustión estequiométrica (sin exceso de aire); la unidad ppm no resulta suficientemente significativa ya que no considera el exceso de aire y, por ejemplo, en una caldera atmosférica la medición es totalmente diferente que se realice antes o después del cortatiros y sin embargo la contaminación es la misma. Sería más adecuado que el nivel se fijase en mg/kWh, de manera que todos los combustibles serían comparables. Límites de inmisión: ○ I. En la tabla siguiente se muestran las concentraciones máximas admisibles en el aire interior, desde el punto de vista sanitario, de las sustancias contaminantes procedentes de la combustión; estos datos se refieren a periodos de exposición de 8 horas y han sido obtenidos a partir de resultados publicados por organismos internacionales como WHO, EPA, ASHRAE; si bien no están recogidos en la normativa aplicable vigente. Para periodos de exposición más cortos se pueden admitir concentraciones superiores. Bibliografía: – Maquinas motrices de Ramón Fresno. Ed. Librería Mitre – Generación de vapor de Marcelo Mesny. Ed. Marymar – Manual del ingeniero de Hutte. – Manual de construcción de máquinas de Dubbel. Tomo 1. – Física y química 4º ESO. Ed. Oxford – Década 1980-1990. Ed. Difusora Internacional – Los temas y sus protagonistas 2001. Ed. Difusora Internacional – www.atexport.com – http://www.textoscientificos.com/quimica/combustion/tipo-combustion – http://teleformacion.edu.aytolacoruna.es/FISICA/document/fisicaInteractiva/Calor/com comcomb.htm
