INFORME FINAL PROYECTO. Pruebas de aditivo en el proceso de combustión de petróleo diesel UNIVERSIDAD TÉCNICA FEDERICO SANTA MARÍA

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1 PROYECTO Pruebas de aditivo en el proceso de combustión de petróleo diesel Entidad ejecutora: Entidad beneficiaria: UNIVERSIDAD TÉCNICA FEDERICO SANTA MARÍA POLARIS AGM INFORME FINAL Responsables: Dr. Ing. Mario Toledo Dr. Ing. Lorna Guerrero Ing. Civil Mecánico Freddy González Apoyo Académico José Duque Valparaíso, Marzo de 2011

2 Resumen Ejecutivo El documento informa sobre los resultados del proyecto Pruebas de aditivo en el proceso de combustión de petróleo diesel. Las actividades del proyecto, realizadas en el quemador para petróleo diesel marca Baltur modelo BTL - 26 acoplado a un horno isotérmico, se han basado principalmente en el desarrollo de cuatro ensayos de laboratorio: tres ensayos de pruebas de petróleo diesel con aditivo, donde se combustiona previamente petróleo diesel para luego agregar aditivo al petróleo en una concentración 1:2000; y un cuarto ensayo donde se combustiona petróleo diesel de manera de obtener una base de comparación para los parámetros de operación en el tiempo. Las pruebas que permitieron cuantificar las principales ventajas de operar el combustible con aditivo se realizaron bajo condiciones normales de operación (15 bar de presión de inyección), siendo las variables de evaluación consideradas y los resultados obtenidos los siguientes: %Variación respecto de proceso de combustión previa a la aplicación del aditivo Temperatura de llama Monóxido de Carbono Dióxido de Carbono Oxígeno Rendimiento de Combustión Temperatura de gases Eficiencia del proceso (E a /P C ) Petróleo/Aditivo (Día de Prueba) Petróleo (05/01/2011) 22/ 2,24% 2,26% 23/ 3,28% 4,06% 51,72% 27,78% 0,78 % 0,26 % 3,67% 3,82% 0,79% 0,26 % 1,94% 2,97% 45,94% 43,48% Respecto de la base de comparación del día 05/01 se tiene: - La temperatura de llama medida en un punto referencial disminuye con la mezcla petróleo/ aditivo. - Todas las concentraciones de monóxido de carbono (CO) medidas son menores al 0,063% vol. En este rango de concentraciones se visualiza una disminución de las emisiones con la mezcla petróleo/aditivo. - La concentración de dióxido de carbono (CO 2 ) aumenta con la mezcla petróleo/aditivo. - La concentración de oxígeno disminuye con la mezcla petróleo/aditivo. - El rendimiento de combustión aumenta con la mezcla petróleo/aditivo. - La temperatura de los gases productos de combustión disminuye con la mezcla petróleo/aditivo. - La eficiencia del proceso aumenta con la mezcla petróleo/aditivo. En conclusión, para un error experimental del 5%, la ventaja de utilizar el aditivo en mezcla con el petróleo diesel se presenta en la disminución de las emisiones de monóxido de carbono (CO) en el rango de 0,063% vol., bajo las condiciones estudiadas.

3 1. Introducción El objetivo de las pruebas efectuadas es determinar el efecto de un aditivo en el proceso de combustión de petróleo diesel utilizando un quemador comercial acoplado a un horno isotérmico. De acuerdo al objetivo planteado, se diseñó un procedimiento de ejecución de las pruebas, que permita detectar diferencias en los parámetros del quemador, estando este en una condición estable de operación. El procedimiento consiste en realizar tres pruebas en tres días distintos. En cada prueba se opera el quemador bajo las condiciones preestablecidas (15 bar de presión de inyección de combustible) durante un tiempo determinado con petróleo diesel, para luego pasar a la operación con una mezcla de petróleo diesel más aditivo en concentración de 1:2000. En cada día de prueba se realizó el registro de las lecturas de los instrumentos de medición, realizando para la combustión de diesel tres mediciones y para la combustión con aditivo cuatro mediciones, por lo que cada serie de datos consta de siete puntos de medición. Los resultados promedio obtenidos con petróleo diesel y con la mezcla petróleo/aditivo son comparados. Luego de cada prueba, el quemador y las líneas de suministro de combustible se limpian de posibles residuos producto de la operación con aditivo. Para obtener una base de comparación en el tiempo de los parámetros de operación con petróleo diesel y con la mezcla petróleo/aditivo se realizó una cuarta prueba sólo con petróleo diesel, donde también se registraron siete puntos de medición.

4 2. Descripción del servicio prestado 2.1 Objetivo general De acuerdo a lo solicitado por la Empresa Polaris AGM, se necesita determinar el efecto de un aditivo en el proceso de combustión de petróleo diesel utilizando un quemador comercial acoplado a un horno isotérmico. El procedimiento considera tres ensayos de laboratorio donde se combustiona una mezcla de diesel mas aditivo en concentración 1:2000 durante un tiempo determinado de operación, previa operación del quemador con petróleo diesel, y un cuarto ensayo con petróleo diesel como base de comparación para los parámetros de operación en el tiempo. 2.2 Generalidades de la Prueba Para el cumplimiento de lo antes señalado se implementaron las siguientes pruebas: A. Selección de un punto de operación para petróleo diesel y para mezcla aditivo/diesel. B. Registro de variables de operación del quemador al incorporar el aditivo como: consumo de combustible, un punto de temperatura de llama, porcentaje volumétrico de CO 2, CO y O 2, ppm de HC y NO X, temperaturas de agua de manto e intercambiador, gases productos de combustión, flujo de agua de refrigeración. Adicionalmente, se calcula el rendimiento de combustión y la energía proporcionado al manto de agua del horno. C. Validación de resultados obtenidos. D. Informe de Conclusiones. 2.3 Descripción del aditivo para mejora de las características de la combustión De acuerdo con lo señalado por el Sr. Fernando Márquez de la Empresa Polaris AGM, las características del aditivo están en la liberación de oxígeno por parte de sus componentes a elevada temperatura. Se utiliza para las pruebas una concentración de aditivo en el petróleo diesel de 1:2000.

5 3. Equipos utilizados En el desarrollo de los ensayos se utilizan los equipos de prueba, los de medición y los complementarios. Los equipos de prueba incluyen al quemador de petróleo diesel y al horno isotérmico; los equipos de medición incluyen los analizadores de gases y medidores de caudal de agua, combustible y temperatura; y por último los equipos complementarios incluyen al compresor de aire para la agitación de la mezcla de petróleo diesel más aditivo. 3.1 Quemador de petróleo diesel Equipo : Quemador Marca : Baltur Modelo : BTL 26 Año : 2009 Combustible : Petróleo diesel Caudal mínimo : 4,2 kg/hr ó 50 kw Caudal máximo : 26,1 kg/hr ó 310 kw 3.2 Horno isotérmico Diámetro interno útil : 540 mm. Material aislante interno : Plastigreen Espesor aislante interno : 40 mm Diámetro interno cilindro : 620 mm Largo del cilindro : 2002,5 mm Largo útil del cilindro : 1832,5 mm Largo útil del cilindro 1832,5 mm. Está corresponde a la medida interna del horno y es la recorrida por la llama y gases calientes (es la diferencia existente del refractario que contiene la puerta del horno que entra a esté cilindro y la parte posterior de salida de los gases calientes que tiene una pared de refractario plástico). Figura 1: Quemador Baltur. Figura 2: Horno isotérmico.

6 3.3 Analizador BOSCH Equipo : Analizador de gases Marca : BOSCH Modelo : 350 Euro CO CO2 Rango 0% a 10% Vol. 0% a 18% Vol. Exactitud 0,006% Vol. 0,04% Vol. Resolución 0,001% Vol. 0,01% Vol. HC NO Rango 0 a 9999 ppm 0 a 5000 ppm Exactitud 12 ppm 12 ppm Resolución 1 ppm 1 ppm Figura 3: Analizador de gases Marca BOSCH. 3.4 Analizador TESTO Equipo : Analizador de gases Marca : TESTO Modelo : 350 S O 2 Temperatura Rango 0 a 25% Vol. -40 C a 1200 C Exactitud < 0,2% del < 0,5% del v.m. v.m. Resolución 0.1 % Vol. 1 C Figura 4: Analizador de gases Marca TESTO. 3.5 Sistema de adquisición de temperatura Equipo : Termocupla Marca : Omega Tipo : K Rango : -180 C a 1372 C Resolución : 0,1 C Equipo : Termocupla Marca : Omega Tipo : R Rango : 0 C a 1767 C Resolución : 0,1 C Equipo : Adquisidor de datos Marca : Omega Modelo : Pdaq 54 Figura 5: Módulo Omega.

7 4. Descripción del procedimiento empleado 4.1 Incorporación de componentes de características especiales Los componentes fueron incorporados al petróleo diesel de acuerdo con el procedimiento señalado por el solicitante, que consiste principalmente en agregar al estanque de combustible la medida de aditivo y mezclarlo en el petróleo diesel. Durante las pruebas es necesario mantener agitado el estanque con la mezcla combustible, debido a que el aditivo decanta en el fondo del estanque (para esto se utiliza la inyección de aire). 4.2 Banco de ensayos La disposición de las termocuplas se puede observar en la Figura 6. Las termocuplas T1, T2, T3, T4 y T5 corresponden al tipo R y miden la temperatura de pared del horno isotérmico. Las termocuplas T6 y T7 corresponden al tipo K y miden la temperatura del manto de agua a la entrada y a la salida del horno. Las termocuplas T8 y T9 (no visible) corresponden al tipo K y miden la temperatura de la salida y de entrada del agua de refrigeración del intercambiador de calor. Por último la termocupla T10, tipo K, mide un punto de la temperatura de llama dentro del horno, y su ubicación queda definida por el largo de la lanza y el ángulo de inclinación de esta con respecto a la pared del horno, quedando la punta de la lanza en frente a la primera mirilla del horno, como se ve en la Figura 7. Los voltajes producidos por las termocuplas son convertidos a temperatura y registrados cada segundo por el adquisidor de datos Omega Pdaq 54. Para medir la composición de los gases productos de combustión se utilizan los analizadores de gases Testo 350 S y BOSCH 350 Euro. El primero mide el porcentaje de oxígeno y temperaturas de los gases de combustión y ambiente, el segundo mide los porcentajes de monóxido de carbono (CO) y dióxido de carbono (CO 2 ), los hidrocarburos no quemados (HC) y los óxidos de nitrógeno (NO X ). Ambos analizadores toman sus muestras desde el tubo de gases de combustión (Figura 8). Figura 6: Disposición de las termocuplas en el horno isotérmico.

8 Figura 7: Lanza porta termocupla para medir una temperatura de llama. Figura 8: Toma de muestra de gases de combustión. 4.3 Nomenclatura de variables a medir La nomenclatura con que se designa a las diferentes variables de operación son las siguientes. T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T10 T11 T12 CO CO 2 O 2 : Temperatura uno de pared del horno en C. : Temperatura dos de pared del horno en C. : Temperatura tres de pared del horno en C. : Temperatura cuatro de pared del horno en C. : Temperatura cinco de pared del horno en C. : Temperatura seis de manto de agua de salida del horno en C. : Temperatura siete de manto de agua de entrada del horno en C. : Temperatura ocho de salida del agua del intercambiador de calor en C. : Temperatura nueve de entrada del agua del intercambiador de calor en C. : Temperatura de llama en C. : Temperatura de gases de combustión en C. : Temperatura ambiente en C. : Porcentaje de monóxido de carbono presente en los gases de combustión. : Porcentaje de dióxido de carbono presente en los gases de combustión. : Porcentaje de oxígeno presente en los gases de combustión.

9 4.4 Procedimiento En base a lo solicitado por la Empresa Polaris AGM se elaboró un procedimiento de ensayo con el fin de medir las principales variables de operación del quemador diesel. El procedimiento considera la realización de tres ensayos con aditivo y un cuarto con petróleo diesel. Cada ensayo con aditivo comienza con petróleo diesel y luego de un tiempo determinado se realiza el cambio a la mezcla de petróleo más aditivo. Para los ensayos con aditivo se elabora la siguiente secuencia de actividades: i) Puesta en marcha del quemador utilizando petróleo diesel. ii) Medir principales variables de operación en tres oportunidades. iii) Alcanzar la condición estable de operación. iv) Cambiar alimentación de combustible desde el petróleo diesel a la mezcla de diesel con aditivo. v) Registrar las variables de la mezcla diesel/aditivo en cuatro oportunidades. vi) Volver a alimentar con diesel a fin de limpiar residuos del aditivo. vii) Desarmar la bomba de inyección y limpiarla de residuos del aditivo. Para la cuarta prueba, en la que solo se trabajó con petróleo diesel, el procedimiento utilizado no consideró el cambio hacia la mezcla de diesel/aditivo (punto iv), y el registro de variables de operación se realizó en siete oportunidades. Se estima en un 5% el error experimental.

10 5. Resultados y análisis Se analizan las principales variables de operación del quemador, esto es: un punto de temperatura de llama, los gases productos de combustión, el rendimiento de combustión, las temperaturas del horno, el agua del manto del horno y del intercambiador, y la energía proporcionada al agua del manto del horno. Para el punto de temperatura de llama, a modo referencial se comparan en el tiempo la temperatura de llama de los días dos (22/12) y tres (23/12) con la del día cuatro de ensayo (5/1). El día uno de ensayo la temperatura se midió con un pirómetro, por lo que no es comparable con los valores medidos por la termocupla tipo K de los días posteriores. Para las temperaturas del horno se comparan las temperaturas de los 4 ensayos realizados. Para el análisis de los gases productos de combustión se utilizan los promedios obtenidos de los tres días de medición, comparándose los promedios de la combustión de petróleo diesel con los de la mezcla petróleo/aditivo y con los obtenidos el cuarto día. Los valores medidos por el analizador BOSCH de NO X y HC varían dentro de valores de 0 a 1 ppm, principalmente, por lo que no son analizados. 5.1 Temperatura de llama Las temperaturas de llama poseen perfiles característicos debido a que la temperatura varía a lo largo de la llama. Durante los ensayos se mide un punto referencial de temperatura de llama. Esta temperatura medida presenta para todos los ensayos un aumento en el tiempo, el cual se relaciona con el aumento de temperatura de pared del horno, es decir, con el tiempo en que el horno alcanza su temperatura de operación estable. La comparación entre los ensayos con aditivo (22/12 y 23/12) con el ensayo sin aditivo (05/01) tiene como objetivo observar cambios en el aumento de la temperatura de llama que puedan ser atribuibles a la acción del aditivo. En las Figuras 9 y 10 se presenta la temperatura de llama medida en un punto referencial. En estas figuras se compara la evolución de la temperatura de llama en el tiempo para los ensayos realizados con aditivo (color rojo lado derecho de línea negra vertical para ensayos del 22/12 y 23/12) y sin aditivo (color verde para ensayo del 05/01). Todas las temperaturas registradas se entregan en archivo electrónico adjunto al Informe. La Figura 9 muestra la temperatura de llama durante los ensayos de los días 22/12 y 05/01. El proceso de combustión con petróleo diesel efectuado el día 22/12 comienza a las 9:40 AM y se mantiene hasta las 11:16 AM (~5840 segundos) cuando se comienza a inyectar la mezcla petróleo/aditivo (línea negra vertical) y se mantiene hasta las 12:46 PM (~11240 segundos). Para este proceso se presenta una caída de la temperatura a los ~2500 segundos, la cual se debe a un reposicionamiento de la termocupla dentro del horno, posición que se mantuvo durante todos los ensayos siguientes. Además, en la figura no se presentan los valores medidos a partir de los segundos por una caída de temperatura. Por su parte, el ensayo con petróleo diesel efectuado el día 05/01 comienza a las 10:40 AM y finaliza a las 13:37 PM (~10800 segundos). El general, la mezcla petróleo/aditivo del día 22/12 presenta temperaturas superiores a las logradas por el petróleo sin aditivo del día 05/01. Esta mayor temperatura también se visualiza previa a la inyección de aditivo pero en menor escala. La Figura 10 presenta los valores de temperatura comparativos para los días 23/12 y 05/01. Para el día 23/12 el proceso de combustión con petróleo diesel comienza a las 11:10 AM y se mantiene hasta las 12:10 AM (~3600 segundos) cuando se inyecta la mezcla de petróleo con aditivo (línea negra vertical) manteniéndose hasta las 13:40 PM (~9250 segundos). El general, la mezcla petróleo/aditivo del día 23/12 no presenta variaciones respecto del petróleo sin aditivo del día 05/01. Esto también se visualiza previo a la inyección de aditivo. Para un análisis detallado de las Figuras 9 y 10, en la Tabla 1 se presentan las temperaturas promedio alcanzada en la operación con petróleo diesel y con la mezcla petróleo/aditivo en los mismos tiempos de operación. Para el día 22/12 se considera el promedio de temperatura entre los 2800 y 5800 segundos para petróleo diesel y entre los 5840 y segundos para la mezcla petróleo/aditivo (en estos períodos es analizado comparativamente el día 05/01). Para el día 23/12 se considera el promedio de temperatura entre los 500 y 3600 segundos para petróleo diesel y entre los 3600 y 9250 segundos para la mezcla petróleo/aditivo (en estos períodos es analizado comparativamente el día 05/01).

11 Para el día 22/12 la temperatura promedio previo a la utilización del aditivo es de 535 C, y al utilizar el aditivo en mezcla en el petróleo esta temperatura promedio es de 547 C, obteniéndose un aumento del 2,24%. Comparativamente, el día 05/01 para petróleo diesel se obtuvo un aumento de la temperatura promedio de 2.26%. Para el día 23/12 la temperatura promedio previo a la utilización del aditivo es de 518 C, y al utilizar el aditivo en mezcla en el petróleo esta temperatura promedio es de 535 C, obteniéndose un aumento del 3,28%. Comparativamente, el día 05/01 para petróleo diesel se obtuvo un aumento de la temperatura promedio de 4,06%. Figura 9: Temperaturas de llama en el tiempo con petróleo diesel (05/01, en color verde) y aditivo (en color rojo desde los 5840 segundos). Figura 10: Temperaturas de llama en el tiempo con petróleo diesel (05/01, en color verde) y aditivo (en color rojo desde los 3600 segundos). Tabla 1. Temperatura referencial de llama promedio en el tiempo. T10 ( C) Datos Figura 9 Datos Figura dic dic Petróleo Diesel Mezcla Petróleo/Aditivo

12 5.2 Gases productos de combustión Las Tablas 2, 3 y 4 presentan los resultados de CO, CO 2 y O 2, respectivamente, obtenidos mediante las lecturas de los analizadores de gases. En estas tablas se compara el resultado promedio obtenido de las pruebas con y sin aditivo. En el Anexo 2 se presentan todos los valores registrados. Todas las concentraciones de CO en los gases productos de combustión medidas son menores al 0,063 % vol. Las concentraciones disminuyen a medida que transcurre el tiempo y aumenta la temperatura en cada día de ensayo, como se muestra en el Anexo 2. La disminución del CO ocurre desde la operación con petróleo diesel inicial y continúa disminuyendo para la operación con la mezcla petróleo/aditivo, lo cual tiene relación directa con la mayor temperatura referencial de llama registrada en el tiempo (Figuras 9 y 10). En la Tabla 2, la concentración promedio alcanzada en la operación con petróleo diesel previo a la utilización del aditivo es del 0,029% vol., y al utilizar el aditivo en mezcla en el petróleo esta concentración alcanza un valor promedio de 0,014% vol, obteniéndose una disminución del 51,72%. Comparativamente, el día 05/01 para petróleo diesel y bajo condiciones de operación similares en el tiempo se obtuvo una disminución del CO del 27,78%. Se debe considerar que los valores medidos por el analizador de gases BOSCH que son menores al 0,006 % vol. de CO se encuentran en el rango del error absoluto del equipo (0,06% del valor máximo que mide el equipo). Tabla 2. Emisiones promedio de monóxido de carbono (CO). CO (% vol.) Promedio Petróleo Diesel 0,003 0,05 0,036 0,029 0,036 Mezcla Petróleo/Aditivo 0,001 0,026 0,014 0,014 0,026 La concentración de CO 2 (Tabla 3) para las mediciones con petróleo diesel muestra un promedio de 7,68 % vol. y con mezcla petróleo/aditivo de un 7,74 % vol., lo cual significa un aumento del 0,78 %. Comparativamente, el día 05/01 para petróleo diesel y bajo condiciones de operación similares en el tiempo se obtuvo una disminución del CO 2 del 0,26 %. Tabla 3. Emisiones promedio de dióxido de carbono (CO 2 ). CO 2 (% vol.) Promedio Petróleo Diesel 7,86 7,52 7,66 7,68 7,67 Mezcla Petróleo/Aditivo 7,94 7,52 7,76 7,74 7,65 La Tabla 4 muestra la concentración de oxígeno presente en los gases productos de combustión. El valor promedio del oxígeno aumenta con la mezcla petróleo/aditivo en un 3,67%. Comparativamente, el día 05/01 para petróleo diesel y bajo condiciones de operación similares en el tiempo se obtuvo un aumento del O 2 del 3,82%. Tabla 4. Concentraciones promedio de oxígeno (O 2 ). O 2 (% vol.) Promedio Petróleo Diesel 9,98 10,5 10,56 10,35 10,21 Mezcla Petróleo/Aditivo 10,27 10,91 11,01 10,73 10,6 Con las concentraciones de CO 2 y O 2 promedio, y mediante el diagrama de Ostwald para petróleo diesel (Anexo 5), se deduce la relación aire/combustible utilizada. Los resultados indican que para el proceso de combustión con petróleo diesel se trabajó con un exceso de aire en el rango del %. Para estos casos se debe obtener valores cercanos a cero de monóxido de carbono, lo cual VALIDA LOS RESULTADOS OBTENIDOS.

13 5.3 Rendimiento de combustión El rendimiento de combustión mide las pérdidas de calor asociadas al exceso de aire utilizado en el proceso de combustión, y se define como: á ó Ecuación 1. donde el término λ=1 representa la relación aire/combustible estequiométrica, es decir, sin considerar el exceso de aire. El CO 2 máximo teórico para la combustión de petróleo diesel es de 15,6% [1]. El valor del rendimiento de combustión se presenta en la Tabla 5 de acuerdo con las concentraciones de CO 2 de la Tabla 3. El rendimiento de combustión para las mediciones con petróleo diesel muestra un promedio de 49,23 % y con mezcla petróleo/aditivo de un 49,62 %, lo cual significa un aumento del 0,79%. Comparativamente, el día 05/01 para petróleo diesel y bajo condiciones de operación similares en el tiempo se obtuvo una disminución del rendimiento de combustión del 0,26 %. Tabla 5. Rendimiento de combustión calculado. Rendimiento de Combustión (%) Promedio Petróleo Diesel 50,38 48,21 49,10 49,23 49,17 Mezcla Petróleo/Aditivo 50,90 48,21 49,74 49,62 49, Consumo de combustible En la tabla 6 se presentan los promedios de consumo de petróleo diesel. El valor promedio de consumo aumenta con la mezcla petróleo/aditivo en un 0,02%. Comparativamente, el día 05/01 para petróleo diesel y bajo condiciones de operación similares en el tiempo se obtuvo un aumento del O 2 del 0,01 %. Tabla 6. Consumo de petróleo diesel. Consumo de Combustible (lt/hr) Promedio Petróleo Diesel 5,18 4,78 4,91 4,96 5,00 Mezcla Petróleo/Aditivo 5,26* 5,07 4,83 5,06 5,05 * Valor único. 5.5 Temperatura de productos de combustión Los promedios de las temperaturas de los productos de combustión medidas por el analizador de gases TESTO se presentan en la Tabla 7. El valor promedio de temperatura aumenta con la mezcla petróleo/aditivo en un 1,94%. Comparativamente, el día 05/01 para petróleo diesel y bajo condiciones de operación similares en el tiempo se obtuvo un aumento del 2,97 %. Tabla 7. Temperatura de productos de combustión. Temperatura de productos ( C) Promedio Petróleo Diesel 373,2 355,4 370,4 366,3 369,8 Mezcla Petróleo/Aditivo 383,7 364,6 371,9 373,4 380,8 5.6 Temperaturas de pared y agua del horno En las Tablas 8-16 se presentan los valores promedios de las temperaturas de pared y agua de refrigeración en los mismos tiempos de operación para los días 22/12 y 23/12, de acuerdo con procedimiento aplicada en el punto 5.1 de este informe. Para el día 21/12 se considera el promedio de temperatura entre los 500 y 9870 segundos para petróleo diesel y entre los 9870 y segundos para la mezcla petróleo/aditivo (en estos períodos es analizado comparativamente el día 05/01).

14 Comparativamente con la línea base del día 05/01, para todos los días de prueba, posterior al tiempo de inyección de aditivo las temperaturas promedios de pared T1, T2 y T3 son menores (excepto día 23/12) y para T4 y T5 son mayores para la mezcla aditivo/diesel. La temperatura previa a la inyección de aditivo tiene la misma relación analizada. Esto no demuestra una tendencia clara de mejoramiento en el comportamiento de la temperatura de pared con la mezcla aditivo/diesel. Las temperaturas del manto T6 y T7 son consideradas en el punto 5.7 para el cálculo de la energía proporcionada al agua del manto del horno. Finalmente, las temperaturas T8 y T9 se presentan de forma referencial ya que no están relacionadas directamente con el proceso de combustión. Tabla 8. Temperatura de pared T1 T1 ( C) Petróleo Diesel 184,41 186,2 184,5 189,0 186,5 158,8 Mezcla Petróleo/Aditivo 208,58 208,83 201,65 204,20 200,1 198,8 Tabla 9. Temperatura de pared T2 T2 ( C) Petróleo Diesel 130, ,4 132,1 119,8 109,0 Mezcla Petróleo/Aditivo 145,95 150,59 132,13 146,26 132,1 141,1 Tabla 10. Temperatura de pared T3 T3 ( C) Petróleo Diesel 233,80 237,7 233,2 239,1 231,8 220,5 Mezcla Petróleo/Aditivo 247,07 251,85 242,50 249,09 237,2 245,5 Tabla 11. Temperatura de pared T4 T4 ( C) Petróleo Diesel 131,84 126,6 130,2 126,9 131,2 108,6 Mezcla Petróleo/Aditivo 146,46 142,70 139,58 139,34 137,7 134,8 Tabla 12. Temperatura de pared T5 T5 ( C) Petróleo Diesel 284,45 273,4 276,8 275,6 276,9 245,0 Mezcla Petróleo/Aditivo 302,87 296,22 292,45 292,38 291,3 286,4 Tabla 13. Temperatura de agua de manto T6 T6 ( C) Petróleo Diesel 53,11 46,7 51,9 46,9 56,1 34,8 Mezcla Petróleo/Aditivo 63,97 57,14 55,90 55,00 53,8 52,1

15 Tabla 14. Temperatura de agua de manto T7 T7 ( C) Petróleo Diesel 45,75 39,8 44,5 39,9 49,0 31,0 Mezcla Petróleo/Aditivo 53,65 47,42 47,03 45,91 44,6 43,8 Tabla 15. Temperatura de agua de intercambiador T8 T8 ( C) Petróleo Diesel 24,51 30,7 33,2 30,8 35,0 25,8 Mezcla Petróleo/Aditivo 32,34 35,13 34,50 34,17 32,4 33,0 Tabla 16. Temperatura de agua de intercambiador T9 T9 ( C) Petróleo Diesel 24,81 29,4 25,3 29,4 24,9 27,8 Mezcla Petróleo/Aditivo 27,35 32,18 26,26 30,71 26,5 30,1 5.7 Energía proporcionada al agua del manto del horno Para este análisis se considera la energía suministrada por el combustible al agua del manto del horno. Dado que la energía de los gases de escape no es posible calcularla con el procedimiento y valores registrados, no se realiza un balance de energía completo del proceso. Para la obtención de la potencia suministrada por el combustible (P C ) se utiliza la Ecuación 2 para un poder calorífico inferior (PCI) del petróleo diesel de kj/kg. [kw] Ecuación 2. Donde el flujo másico ( ) de combustible se obtiene desde la Ecuación 3, donde es la densidad del combustible (0,869 kg/l) y el caudal de combustible. [kg/seg] Ecuación 3. Para la obtención de la energía proporcionada al manto de agua del horno (E a ) se utiliza la Ecuación 4, donde el calor específico del agua ( ) se asume como constante e igual a 4,183 [kj/kgk] en el intervalo de temperaturas de trabajo, y es el flujo másico de agua. [kw] Ecuación 4. Para los valores presentados en los Anexos 1 y 3, la Tabla 17 muestra los resultados de la energía proporcionada al agua del manto del horno. El valor promedio de la energía aumenta con la mezcla petróleo/aditivo en un 42,55%. Comparativamente, el día 05/01 para petróleo diesel y bajo condiciones de operación similares en el tiempo se obtuvo un aumento de la energía proporcionada del 57,81%. La eficiencia promedio (E a /P C ) es igual al 45,94% con la mezcla petróleo/aditivo mientras que la eficiencia para petróleo diesel y bajo condiciones de operación similares en el tiempo es igual a 43,48%, obteniéndose un aumento del 2,43%.

16 Tabla 17. Energía proporcionada al agua del manto del horno. E a (kw) Promedio [P c (kw)] Petróleo Diesel 19,63 [52,92] 15,12 [48,86] 17,60 [50,12] 16,64 [50,74] 14,22 [51,04] Mezcla Petróleo/Aditivo 27,16 [53,73] 22,22 [51,82] 23,06 [49,37] 23,72 [51,63] 22,44 [51,61]

17 6. Conclusiones En base a los ensayos realizados con petróleo diesel y con la mezcla petróleo/aditivo, los resultados obtenidos son: %Variación respecto de proceso de combustión previa a la aplicación del aditivo Temperatura de llama Monóxido de Carbono Dióxido de Carbono Oxígeno Rendimiento de Combustión Temperatura de gases Eficiencia del proceso (E a /P C ) Petróleo/Aditivo (Día de Prueba) Petróleo (05/01/2011) 22/ 2,24% 2,26% 23/ 3,28% 4,06% 51,72% 27,78% 0,78 % 0,26 % 3,67% 3,82% 0,79% 0,26 % 1,94% 2,97% 45,94% 43,48% Respecto de la base de comparación del día 05/01 se tiene: - La temperatura de llama medida en un punto referencial disminuye con la mezcla petróleo/ aditivo. - Todas las concentraciones de monóxido de carbono (CO) medidas son menores al 0,063% vol. En este rango de concentraciones se visualiza una disminución de las emisiones con la mezcla petróleo/aditivo. - La concentración de dióxido de carbono (CO 2 ) aumenta con la mezcla petróleo/aditivo. - La concentración de oxígeno disminuye con la mezcla petróleo/aditivo. - El rendimiento de combustión aumenta con la mezcla petróleo/aditivo. - La temperatura de los gases productos de combustión disminuye con la mezcla petróleo/aditivo. - La eficiencia del proceso aumenta con la mezcla petróleo/aditivo. En conclusión, para un error experimental del 5%, la ventaja de utilizar el aditivo en mezcla con el petróleo diesel se presenta en la disminución de las emisiones de monóxido de carbono (CO) en el rango de 0,063% vol., bajo las condiciones estudiadas. Se recomienda continuar la investigación respecto del aditivo en tiempos prolongados de operación de hornos de manera de obtener una condición estable en el tiempo, y por ende determinar de mejor manera los resultados de su aplicación.

18 Referencias [1] North American Combustion Handbook, Volume I, Third Edition, USA.

19 ANEXOS Anexo 1. Tabla de presión y caudales. Nº Med. Fecha Hora Presión (bar) Quemador Caudal de Combustible (Lt/hr) Caudal de Agua (gl/min) Horno Caudal de Agua (Lt/hr) Intercambiador 1 21-dic 11: ,21 9,73 728, dic 12: ,19 9,60 900, dic 14: ,14 8,89 878, dic 15: , dic 16: , dic 16: , _dic 16: ,26 8, dic 9: ,79 10, , dic 10: ,77 9, , dic 11: ,79 9, , dic 11: ,92 9, , dic 12: ,81 9, , dic 12: ,20 9, , dic 12: ,36 9, , dic 11: ,03 9, , dic 11: ,83 9, , dic 12: ,86 9, , dic 12: ,77 9, , dic 12: ,98 9, , dic 13: , , dic 13: , , ene 10: ,00 9, , ene 11: ,02 9, , ene 11: ,97 9, , ene 11: ,07 9, , ene 12: ,98 9, , ene 12: ,07 9, , ene 13: ,09 9, ,28

20 Anexo 2. Tabla de concentración de gases productos de combustión. Nº Med. O2 (% vol) CO2 (% vol) CO (% vol) HC (ppm) NO (ppm) Tº Gases Combustión (ºC) 1 9,93 7,93 0, ,1 2 10,02 7,61 0, ,6 3 9,99 8, ,8 1 10,16 7,94 0, ,6 2 10,27 7, ,5 3 10,25 7, ,39 7, ,8 1 10,56 7,53 0, ,8 2 10,45 7,46 0, ,3 3 10,5 7,57 0, ,2 1 10,82 7,45 0, ,1 2 10,92 7,54 0, ,6 3 10,97 7,51 0, ,3 4 10,92 7,59 0, ,4 1 10,84 7,54 0, ,8 2 10,75 7,74 0, ,5 3 10,09 7,69 0, ,9 1 11,13 7,65 0, ,4 2 10,79 7,9 0, ,4 3 11,02 7,71 0, ,6 4 11,11 7, , ,78 0, ,8 2 10,31 7,58 0, ,1 3 10,31 7,64 0, ,4 4 10,59 7,55 0, ,8 5 10,48 7,63 0, ,8 6 10,69 7,64 0, ,2 7 10,64 7,76 0, ,3

21 Anexo 3. Tabla de temperaturas. Parte 1. Nº Med. Tº 1 Interior Horno pared Tº 2 Interior Horno pared Tº 3 Interior Horno pared Tº 4 Interior Horno pared Tº 5 Interior Horno pared Tº 6 Manto de agua Salida del Horno Tº 7 Manto de agua Entrada del Horno 1 182,87 117,45 222,92 121,82 270,1 45,89 39, ,33 127,05 231,05 128,38 280,62 50,62 44, ,39 152,7 252,4 152,41 310,29 68,17 56, ,86 159, ,61 155,81 313,12 69,35 57, ,19 150,14 247,51 154,69 310,2 68,99 57, ,02 150,44 248,93 154,67 311,47 69,08 57, ,03 150,68 249,26 155,15 311,29 69,17 57, ,2 107,93 221,12 122,5 252,59 51,84 49, ,18 119,25 234,48 131,38 278,15 50,89 43, ,63 125,18 239,45 134,72 286,43 52,75 44, ,03 130,44 241,94 138,35 291,07 54,91 46, ,85 134,04 244,03 140,63 293,61 56,42 47, ,39 124,47 243,69 141,79 295,24 57,16 47, ,72 135,12 244,05 142,1 295,42 57,6 48, ,28 117,02 231,07 129,13 274,13 58,8 56, ,64 126,15 137,85 138,31 286,83 54,73 45, ,34 127,83 237,69 137,07 289,98 53,85 44, ,91 130,49 237,38 137,09 291,26 53,51 44, ,51 132,39 237,33 137,18 291,71 53,21 44, ,04 133,03 237,81 138,56 293,05 53,94 44, ,19 134,31 237,93 139,31 294,7 54,36 45, , ,31 224, ,87 249,12 34,303 30, ,48 126,9 234,68 121,9 268,7 43,6 37, ,57 133,26 240,66 127,43 276,08 47,66 40, ,39 140,02 244,07 134,05 284,7 51,02 43, ,77 143,95 247,63 138,75 291,25 55,06 45, ,74 148,64 250,91 141,12 294,86 56,47 46, ,76 150,59 252,19 142,73 296,57 57,05 47,46

22 Anexo 4. Tabla de temperaturas. Parte 2. Nº Med. Tº 8 Salida agua Intercamb. de calor Tº 9 Ent. agua Intercamb. de calor Tº 10 Temp. de Llama T Amb Observaciones 1 21,7 22,89 20,7 Diesel 2 22,1 24,24 21,2 Diesel 3 35,4 28,44 21,4 Diesel ,39 21,4 D+A 2 36,3 29,53 22,8 D+A 3 36,2 29,61 24 D+A 4 36,4 28,83 24 D+A 1 22,2 24,63 528,17 21,1 Diesel 2 32,7 25,21 536,55 21,4 Diesel 3 32,5 25,87 542,27 21,8 Diesel 1 34,0 26,14 546,35 22,4 D+A 2 34,7 26,2 550,9 22,7 D+A 3 35,1 26,53 554,25 22,9 D+A 4 35,2 26,32 555,6 23,1 D+A 1 40,2 24,22 515,74 22,5 Diesel 2 33,5 26,02 527,54 22,7 Diesel 3 32,4 26,26 531,47 23,1 Diesel 1 32,1 26,7 534,42 22,8 D+A 2 32,3 26,3 543,37 23,1 D+A 3 32,3 26,6 538,89 23,3 D+A 4 32,8 26,78 540,64 24,1 D+A 1 25,52 27,42 520,26 24,1 Diesel 2 29,2 29,3 526,5 24,1 Diesel 3 31,5 29,35 529,12 24,5 Diesel 4 32,94 29,55 538,2 24,9 Diesel 5 33,34 30,25 540,67 25,4 Diesel 6 34,2 31,39 546,4 Diesel 7 35,4 32,05 549,04 Diesel

23 Anexo 5. Diagrama de Ostwald para petróleo diesel

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