3. Combustión
Definiciones Básicas en Combustión (1) Combustión: Secuencia de reacciones químicas entre combustible y un oxidante, generalmente aire, por las cuales se libera energía calórica y luminosa en un ambiente confinado. La zona donde tiene efecto se denomina cámara, hogar, u horno de combustión, que cumple las siguientes funciones: • Permite ingreso de combustible y aire • Mezcla íntima de los reactantes • Confinamiento de reactantes y productos • Redistribución y almacenamiento de calor
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Definiciones Básicas en Combustión (2) Combustión Completa: Cuando el combustible se oxida generando CO2, agua y demás combustión.
completamente, productos de
Quemador: Componente donde se combina el combustible con aire, preparándolos para la combustión. Combustibles: Los combustibles industriales son generalmente de origen fósil; los principales son fuel oil #2 (liviano) y fuel oil #6 (residual).
Combustibles Las substancias más utilizadas como combustible poseen carbono e hidrógeno en su composición química. Se clasifican en sólidos, líquidos y gaseosos. Ejemplos: Sólido: carbón, madera, desechos. Líquido: petróleo, gasolina Gaseoso: gas natural, LPG.
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Balance de Masa en Procesos de Combustión CO Masa Reactivos = Masa Productos
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N2 O2
GASES DE COMBUSTIÓN
NOx SO2 HCl
AIRE (79% N2, 21 % O2)
CÁMARA DE COMBUSTIÓN
COMBUSTIBLE
(Reacciones Químicas de Transformación, Liberación de Energía)
(Fuel Oil, Diesel, Materia Sólida)
VOC’s Partículas e Inquemados
CENIZAS Y MATERIA INERTE (vidrio, metales, etc)
Definiciones Básicas en Combustión (3) Poder Calorífico Es la energía que la masa del combustible puede liberar, debido a una reacción química de oxidación. El poder calorífico típico de los combustibles fósiles es: PCcomb.fósiles ≈ 19.500 Btu/lb = 10.000 kCal/kg
Poder Calorífico Superior e Inferior El agua formada por la oxidación del combustible puede presentarse como líquido o como vapor; esto da origen a dos valores de poder calorífico: PCSUPERIOR → Agua como líquido PCINFERIOR → Agua como vapor Nota: Generalmente el agua no se condensa en la cámara de combustión, por lo cual para efectos de cálculo se toma el poder calorífico inferior.
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Estequiometría de la Combustión (1) La Oxidación Estequiométrica se da con cantidades de oxígeno justamente necesarias. Ej 1. Combustión Estequiométrica de Metano en Oxígeno
CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O 1 mol de metano + 2 moles de O2 generan 1 mol de CO2 y 2 moles de agua.
Ej 2. Combustión Estequiométrica de Metano en Aire
CH4 + 2(O2 + 3,76 N2) → CO2 + 2H2O + 2 x 3,76 N2 Nota: El aire contiene una Nitrógeno/Oxígeno de 79/21 (3,76).
relación
porcentual
volumétrica
Estequiometría de la Combustión (2) Exceso de Aire (EA): La combustión típica se da con exceso de aire. El aire en exceso se introduce a la cámara para asegurar que las moléculas de combustibles estén rodeadas por suficiente aire de combustión. La combustión con EA genera oxígeno sin reaccionar. Ej 3. Combustión de Metano con Exceso de Aire CH4 + 2 (1+ EA) (O2 + 3,76 N2) → CO2 + 2H2O + 2 EA O2 + 2 (1+EA) 3,76 N2
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Estequiometría de la Combustión (5) Relación Aire - Combustible Relación de masa existente entre el aire utilizado en el proceso de combustión respecto al combustible. ma/c =
masa de aire masa de combustible
La relación aire/combustible se puede encontrar también a partir de los moles (n) y peso molecular (M) del aire y combustible: ma/c =
naire ⋅ M aire ncombustible ⋅ M combustible
La relación estequiométrica para combustibles fósiles líquidos es aproximadamente 15.
Efecto del Porcentaje de Aire sobre la Eficiencia de Combustión
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Diagrama de Ostwald (1)
El diagrama de Ostwald es la graficación de las concentraciones volumétricas de los varios componentes de los gases de combustión: CO2, O2, CO. Se incluye además el exceso de aire. En la práctica, los quemadores industriales operan entre el 5 y 35% de EA. La mayoría produce muy poco CO (menos de 0,2%). En tal caso puede asumirse la línea de combustión completa. A partir de cálculos teóricos estequiométricos es posible construir el diagrama de Ostwald. Para un combustible de composición conocida, se requiere de una sola medición (usualmente % O2) para conocer el EA.
Diagrama de Ostwald (2)
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Diagrama de Sankey (1)
El diagrama de Sankey, muestra en forma global un balance energético a un sistema térmico de combustión, a manera de franjas que representan, según su anchura, la cantidad de energía correspondiente, según su dirección, al destino final de esa energía. Se trata de establecer un balance térmico entre la energía química provista por el combustible y la energía utilizada por el sistema. De manera general, el diagrama de Sankey busca establecer la siguiente relación: Energía Química del combustible
Energía Transferida a la Carga Térmica
+
Pérdidas Térmicas
+
Calor Sensible de Gases
+
Energía Perdida por Ineficiencias de Combustión
Diagrama de Sankey (2)
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Mediciones Importantes en Combustión Las siguientes son las principales mediciones recomendadas para un análisis de combustión de hidrocarburos: Temperatura del combustible Concentración de O2 Concentración de CO2 Temperatura de Gases Niveles de Humos Análisis Visual de Llama Mediante tales mediciones se puede establecer si se está manteniendo una adecuada combustión, y por ende los ajustes necesarios al proceso para obtener mejoras en su eficiencia.
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