CÁLCULOS DE COMBUSTIÓN DE UN PRODUCTO COMBUSTIBLE CUANDO SE DESCONOCE SU COMPOSICIÓN DIAGRAMAS

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1 CALCULO RELATIVO A LA COMBUSTIÓN INTRODUCCIÓN PODER CALORÍFICO AIRE DE COMBUSTIÓN GASES DE LA COMBUSTIÓN CALOR Y PESO ESPECÍFICO DE LOS GASES DE LA COMBUSTIÓN CÁLCULOS DE COMBUSTIÓN DE UN PRODUCTO COMBUSTIBLE CUANDO SE DESCONOCE SU COMPOSICIÓN DIAGRAMAS 1

2 INTRODUCCIÓN Se pretende establecer: las definiciones, criterios y conceptos fundamentales a adoptar en el estudio de combustión y de los productos combustibles. Lo recogido en esta lección es aplicable a la combustión de cualquier combustible industrial sólido, líquido o gaseosos compuesto por carbono (C), hidrógeno (H), oxígeno (O), nitrógeno (N), azufre (S) y cenizas (A) Se presupone la combustión completa del combustible con un volumen de oxígeno en el aire de combustión superior al estequiométrico. En el transcurso de la lección se introducen expresiones empíricas, que no excluyen la utilización de otros métodos y de otras expresiones empíricas existentes. 2

3 PODER CALORÍFICO El poder calorífico de un combustible queda definido por el número de unidades de calor liberadas por la unidad de masa o de volumen del combustible, quemada en un calorímetro en condiciones previamente establecidas. Es decir: - Combustible sólidos y gaseosos por unidad de masa, se expresa en kcal/kg. Poder calorífico superior (P.C.S.) - Combustibles gaseosos por unidad de volumen en condiciones normales (a 0ºC de temperatura y 760 mm de Hg), se expresa en kcal/ (n) m ó kcal/nm. Es la cantidad total de calor de un combustible, incluyendo el calor latente del agua formada por la combustión del hidrógeno contenido en dicho combustible. Poder calorífico inferior (P.C.I.) Es la cantidad de calor que resulta al restar del poder calorífico superior el calor latente del agua formada por la combustión del hidrógeno contenido en el combustible. Poder calorífico según se quema (P.C.Q.) Es la cantidad de calor correspondiente al peso del combustible seco contenido en 1 kg de producto combustible, expresado en PCI en las condiciones en que se introduce en el hogar de combustión. Poder calorífico útil (P.C.U.) Es la cantidad de calor que resulta al restar del poder calorífico inferior el valor necesario para evaporar, en la combustión, la humedad del combustible según se quema.

4 COMBUSTIÓN C + O2 CO2 + 2,8 MJ/kg S + O2 SO MJ/kg 1 1 H + O2 H 2O MJ/kg 4 2 O 2 reduce la cantidad de aire

5 Cálculo del poder calorífico según análisis químico LÍQUIDOS O SÓLIDOS P.C.S. = x (C) x (H) x (S) kcal/kg P.C.I. = P.C.S x (H) kcal/kg P.C.Q. = P.C.I. x (1-w) kcal/kg de producto combustible * P.C.U. = P.C.Q x w kcal/kg de producto combustible. (*) w tanto por uno de humedad en kg/kg. 5

6 GASES 6

7 Temperatura

8 AIRE (21% de Oxígeno) Porcentaje de aire 0 % 85 % 95% 100 % No inflamable 100 % 15 % 5 % 0 % Porcentaje de combustible

9 AIRE (21% de Oxígeno) Combustible Humos inquemados Aire Aire Cl Calor Aire Combustión Estequiométrica n = 1 (100 % de aire) Combustión con exceso de aire n > 1 ( mayor de 100 % de aire) Combustión con defecto de aire n < 1 ( menor de 100 % de aire)

10 COMBUSTIÓN 1k kmol lde C reacciona con 1kmol lde O 2 para producir 1 kmol lde CO 2 1 kmol de H 2 reacciona con 1/2 kmol de O 2 para producir 1 kmol de H 2 O 1 kmol de S reacciona con 1 kmol de O 2 para producir 1 kmol de SO 2 Conociendo el peso molecular de cada molécula Carbono 12 kg/kmol Hidrógeno 2 kg/kmol Azufre 2 kg/kmol Oxígeno 2 kg/kmol 12 kg de C reacciona con 2 kg de O 2 para producir 44 kg de CO 2 2 kg de H 2 reacciona con 16 kg de O 2 para producir 18 kg de H 2 O 2 kg de S reacciona con 2 kg de O 2 para producir 64 kg de SO 2

11 Combustión estequiometria En peso En volumen Sustancia Producto (kg de comburente /kg de combustible ) (m de comburente/m de combustible) Oxigeno Aire Oxigeno aire Carbono CO 1 1, 575 5,75 Sólido Sólido Carbono CO 2 2,66 11,51 Sólido Sólido Hidrógeno H 2 O 7,94 4,0 0,5 2,9 Metano CO 2 + 2H 2 O,99 17,24 2,0 9,57 Etano 2CO 2 + H 2 O,72 16,07,5 16,75 Propano CO 2 + 4H 2 O,6 15,68 5,0 2,95 Butano 4CO 2 + 5H 2 O,58 15,46 6,50 1,14 Acetileno 2CO 2 + H 2 O 07,07 1, ,5 11,96 Azufre SO 2 1,00 4,2 Sólido Sólido Azufre SO 1,5 6,48 Sólido Sólido

12 COMBUSTIÓN C + O2 CO2 + 2,8 MJ/kg S + O2 SO MJ/kg 1 1 H + O2 H 2O MJ/kg 4 2 O 2 reduce la cantidad de aire Combustible C=c, S=s, H=h y O=o c+s+h+o=1 h 1 c * C + s * S + h * H + ( c + s + o ) O2 c * CO2 + s * SO2 + h * HO2 4 2 h h Aire necesario ( c + s + o ) O 2 *0,21 + ( c + s + o ) N 2 *0, h Humos producidos ( c* CO2 + s* SO2 + h* HO2 ) + ( c + s + o) N2 *0,

13 AIRE DE COMBUSTIÓN Masa de O 2 (M o2 ) necesaria para la combustión estequiométrica (kg/kg de combustible) Masa de aire atmosférico seco (M 0 A ) necesario para la combustión estequiométrica (kg/kg de combustible) Volumen de aire seco (V A 0 ) necesario para la combustión estequiométrica (Nm /kg) Masa de aire atmosférico húmedo (M Ax 0 ) necesario para la combustión estequiométrica (kg/kg de combustible) Volumen de aire húmedo (V Ax 0 ) necesario para la combustión estequiométrica (Nm /kg) M 02 = 2,666C+8H+S O M 0 A = 11,52C+4,56H+4,2S-4,2O V 0 A = 8,885C+26,656H+,2S-,2O M 0 Ax = M 0 A + V 0 A x x: humedad específica del aire (kg agua /m de aire seco) V Ax 0 = V A 0 +1,244 V A 0 x (18 kg de H 2 O (vapor) ocupan 22,4 Nm ) 1

14 COMBUSTIBLES GASEOSOS 0,5*( H + CO) + ( m + 0,25n)( C H O) 0 m n VA = 0,21 (*) COMBUSTIBLE EN BASE SECA V A0 (w) = (1-w) V 0 A (**) ÍNDICE DE EXCESO DE AIRE n = V 1 A / V 0 A 14

15 GASES DE COMBUSTIÓN Masa de CO 2 (M CO2 ) formada en la combustión completa (kg/kg combustible) M CO2 =67C,67 Volumen de CO 2 (V CO2 ) formada en la combustión completa (Nm /kg combustible) V CO2 = 1,86 C Combustibles gaseosos V CO2 = CO +CO 2 +ΣmC m O n Masa de H 2 O (M H2O ) formada en la combustión completa (kg/kg combustible) w : agua en el combustible M H2O = 9 H + w +V A 1 x Volumen de H 2 O(V H2O ) formada en la combustión completa (Nm /kg combustible) V H2O = 11,2 H +1,224 (w +V A 1 x) Masa de SO 2 (M SO2 ) formada en la combustión completa (kg/kg g combustible) Volumen de SO 2 (V SO2 ) formada en la combustión completa (Nm /kg combustible) Masa de N 2 (M N2 ) formada en la combustión completa (kg/kg combustible) M SO2 = 2 S V SO2 = 0,7 S M N2 = N Volumen de N 2 (V N2 ) formada en la combustión completa (Nm /kg combustible) V N2 = 0,8 N 15

16 Masa total de gases secos producidos en la combustión estequiométrica (M Hs 0 ) M Hs 0 = 12,52C+26,56H+5,2S+N,2O (kg/kg combustible) Volumen total de gases secos producidos 0 en la combustión estequiométrica (V Hs )(Nm /kg combustible) Masa total de gases húmedos producidos en la combustión estequiométrica (M 0 H ) (kg/kg combustible) Volumen total de gases húmedos producidos en la combustión estequiométrica (V 0 H ) (Nm /kg combustible) V Hs 0 = 8,89C+21.07H+,S+0,8N 2,6O M H 0 = M Hs 0 + 9H + w + V A 0 x V H 0 = V Hs ,2H + 1,224 ( w + V A 0 x) 16

17 Gases de combustión con exceso de aire Masa de gases de combustión secos producidos en la combustión con exceso de aire (M Hs 1 ) (kg/kg combustible) M Hs 1 = M Hs 0 + M A 0 (n-1) Volumen de gases de combustión secos producidos en la combustiónconexcesodeaire(v con 1 )(Nm 1 = Hs /kg combustible) V Hs V Hs V A (n-1) Masa de gases de combustión húmedos producidos en la combustión con exceso de aire (M H 1 ) (kg/kg combustible) Volumen de gases de combustión húmedos producidos en la combustión con exceso de aire (V H 1 ) (Nm /kg combustible) M H 1 = M H 0 + M Ax 0 (n-1) V H 1 = V H 0 + V Ax 0 (n-1) 17

18 COMBUSTIÓN Combustible Composición Propano (Nm /Nm ) C 2 H 6 = 0,02/C02/C H 8 = 0,92/C 4 H 10 = 0,04/N04/N 2 = 002 0,02 Gas natural (Nm /Nm ) CH 4 = 0,86/C 2 H 6 = 0,076/C H 8 = 0,024/C 4 H 10 =0,01/N 2 = 0,02 Fuel nº1 C=0,846/H=0,0097/S=0,027/N=0,01/H 0,0097/S 0,027/N 0,01/H 2 0=0,0015/Cenizas=0,005 0,0015/Cenizas 0,005 Fuel nº2 Gasóleo-C C=0,87/H=0,092/S=0,06/N=0,01/H 2 0=0,02/Cenizas=0,005 C=0,86/H=0,111/S=0,008/N=0,01/H 2 0=0,01/Cenizas=0,001

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20 CARACTERÍSTICAS DE LOS COMBUSTIBLES FÓSILES Poder comburívero Nm /kwh (sobre PCI) Poder fumígeno Nm /kwh (sobre PCI) Fuelóleo BIA 092 0, ,97 Gasóleo 0,92 0,97 Butano 094 0, ,01 Propano 0,94 1,02 GN (metano) 0,95 1,05 1 kwh necesita 1N Nm de aire y produce 1N Nm de humos

21 CONTAMINACIÓN Producción CO 2 Producción H 2 O Contenido de S g/kwh (sobre PCI) g/kwh (sobre PCI) % Fuelóleo BIA 28 < 1 Gasóleo < 0,2 Butano > 0,05 Propano < 0,05 GN (metano)

22 LIMITES EN LA COMBUSTIÓN CO 500 ppm NO x 00 ppm CO % SO 2 Combustible Temperatura de humos Rendimiento 60 KW Rocío ácido Rocío básico

23 Porcentaje de CO 2 y SO 2 en función del exceso de aire. Los sistemas de medición de CO 2 basados en la absorción de este gas a través de potasa cáustica dan el porcentaje tj de CO 2 + SO 2 en los gases de la combustión pero,por la condensación dl del vapor de agua contenidos en estos gases, dicho porcentaje es sobre el volumen de gases secos. % C0 2 = Vco2 + Vso2 Vco2 + Vso2 = 1 0 V V + ( n 1) V HS HS 0 A % C 0 2 max = Vco + Vso 2 0 V HS 2 Sólidos y líquidos 0,94 V Hs0 /V A 0 0,96, por lo que V Hs0 = V A 0, resultando: % = %C0 C max n 2 C02 21( n 1) % 0 2 = n 2

24 Gases 0,9 V Hs0 /V A0 1,95, por lo que la aplicación la V Hs0 =V A0 podría conducir a importantes errores, sobre todo cuando los gases tienen un alto contenido de CO 2, por lo que se puede aplicar n = % CO max V 0 2 HS % CO2 VA Pudiendo tomar los valores de la relación V Hs0 /V A 0 en función del P.C.I. del combustible, de acuerdo con el cuadro siguiente: 24

25 Triángulo de la combustión En la práctica puede suceder que la combustión sea imperfecta con formación de CO en vez de CO 2 aún existiendo iti exceso de aire. LosvaloresdeCO,CO 2 yo 2 en los gases de la combustión están interrelacionados entre sí, de forma que para un determinado combustible, conociendo dos valores, el tercero viene fijado. La forma más práctica áti de interrelacionar i estos tres valores es construyendo el tiá triángulo de la combustión para este combustible. 21% de O 2 (punto A) V CO2 = V CO, el punto de O 2 max para COmax (Punto C) Perpendicular a línea (AB) CO % CO 2 max (punto B) Relación CO 2 max/co 2 Defecto de aire 25

26 CALOR Y PESO ESPECÍFICO MEDIO DE LOS GASES DE LA COMBUSTIÓN Calor específico Si se conoce la composición de los gases de la combustión en sus componentes básicos CO 2,O 2,N 2,SO 2 yh 2 O, es fácil obtener el calor específico medio de la mezcla, C emt, sumando los productos de cada porcentaje tj dl del componente por su calor específico. C Peso específico de los gases de la combustión t = x* C ( x) kcal/m N C t em e m.º Por su simplicidad y buena aproximación, se aplica la fórmula basada en que el peso de los gases de combustión de 1 kg de combustible es igual al peso del aire de combustión más 1 kg menos el peso de cenizas e inquemados, A es el tanto por uno de cenizas e inquemados que se producen en la combustión de 1 kg de combustible. P 0 eh = * Forma de obtener el peso específico en otras condiciones V A * 1, A kg/m 1 V H P t eh = P 0 eh N t kg/m 26

27 CÁLCULOS DE COMBUSTIÓN DE UN PRODUCTO COMBUSTIBLE CUANDO SE DESCONOCE SU COMPOSICIÓN Poder calorífico En la práctica, no siempre se dispone de un análisis químico del combustible, por lo que su PCS debe de obtenerse mediante análisis calorimétrico de una muestra seca de dicho combustible. A partir del PCS puede estimarse el valor del PCI aplicando la formula establecida por Rosin, donde a y b son constantes para cada familia de combustibles. PCI = a * PCS - b 27

28 Volumen del aire de combustión COMBUSTIBLES LÍQUIDOS COMBUSTIBLES GASEOSOS 0 0,85* PCI V A = + 2 m N / kg ,9PCI con PCI kcal/m N : V A = m N / m N ,11PCI con PCI > kcal/m N : V A = m N / m N

29 COMBUSTIBLES SÓLIDOS con PCI.500 kcal/m con PCI 5, kcal/m 0 11PCI 1,1 N : V A = -1,1m N / kg ,1 PCI N : V A = -1,2 12 m N / kg ,1 PCI con PCI kcal/m N : V A = ,8 m N / kg ,1 PCI con PCI kcal/m N : V A = ,2 m N / kg 1000 con PCI > kcal/m 0 1,1 PCI N : V A = ,1m N / kg

30 Volumen de los gases de la combustión LÍQUIDOS GASES,11* PCI V 0 H = 1 m N / kg ,8PCI con PCI kcal/m N : V H = + 1 m N / m N ,16PCI con PCI > kcal/m N : V H = + 0,5 m N / m N

31 SOLIDOS 0 1,1 PCI con PCI.500 kcal/m N : V H = - 05m 0,5 N / kg ,1 PCI con PCI 5,500 kcal/m N : V H = - 0,6 m N / kg ,1 PCI con PCI kcal/m N : V H = - 0, m N / kg ,1 PCI con PCI kcal/m N : V H = + 0,1 m N / kg ,1 PCI con PCI > kcal/m N : V H = + 0,1m N / kg 1000 * Para combustibles sólidos con humedad w 0 0 VH ( w) = (1 w) VH + 1,262w m N / kg 1

32 Porcentaje de CO 2 en los gases de la combustión Calor específico de los gases de la combustión Lo más frecuente, en la práctica, es disponer sólo del PCI del combustible, por lo que para conocer el calor específico medio de los gases deberá utilizarse un gráfico, que en función del PCI y clase de combustible (sólido, líquido y gaseoso) el valor del calor específico medio entre 0 y t ºC,leído sobre las ordenadas de la derecha en función de la temperatura. 2

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34 DIAGRAMA DE aire necesario y gases de la combustión Combustión volúmenes de aire necesario y gases de la combustión de los fuel-oil. 4

35 Combustión de carbones: volúmenes de aire de combustión y gases de la combustión de carbones. 5

36 DIAGRAMA DE BUNTE (combustión completa) 6

37 DIAGRAMA DE OSTWALD (combustión incompleta) 7

38 DIAGRAMA DE KELLER (combustión incompleta (CO + H 2 ) 8