3. Combustión. Definiciones Básicas en Combustión (1)

Transcripción

1 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 1

2 Definiciones Básicas en Combustión (2) Combustión Completa: Cuando el combustible se oxida completamente, generando CO 2, agua y demás productos de combustión. 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. 2

3 Balance de Masa en Procesos de Combustión Masa Reactivos = Masa Productos CO 2 N 2 O 2 AIRE (79% N 2, 21 % O 2 ) COMBUSTIBLE (Fuel Oil, Diesel, Materia Sólida) GASES DE COMBUSTIÓN CÁMARA DE COMBUSTIÓN (Reacciones Químicas de Transformación, Liberación de Energía) NOx SO 2 HCl 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: PC comb.fósiles Btu/lb = 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: PC SUPERIOR Agua como líquido PC INFERIOR 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. 3

4 Estequiometría de la Combustión (1) La Oxidación Estequiométrica se da con cantidades de oxígeno justamente necesarias. Ej 1. Combustión Estequiométrica de Metano en Oxígeno CH 4 + 2O 2 CO 2 + 2H 2 O 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 CH 4 + 2(O 2 + 3,76 N 2 ) CO 2 + 2H 2 O + 2 x 3,76 N 2 Nota: El aire contiene una relación porcentual volumétrica Nitrógeno/Oxígeno de 79/21 (3,76). 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 CH (1+ EA) (O 2 + 3,76 N 2 ) CO 2 + 2H 2 O + 2 EA O (1+EA) 3,76 N 2 4

5 Estequiometría de la Combustión (5) Relación Aire - Combustible Relación de masa existente entre el aire utilizado en el proceso de combustión respecto al combustible. m a/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: naire M aire m a/c = n M combustible combustible La relación estequiométrica para combustibles fósiles líquidos es aproximadamente 15. Efecto del Porcentaje de Aire sobre la Eficiencia de Combustión 5

6 Diagrama de Ostwald (1) El diagrama de Ostwald es la graficación de las concentraciones volumétricas de los varios componentes de los gases de combustión: CO 2, O 2, 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 % O 2 ) para conocer el EA. Diagrama de Ostwald (2) 6

7 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) 7

8 Mediciones Importantes en Combustión Las siguientes son las principales mediciones recomendadas para un análisis de combustión de hidrocarburos: Temperatura del combustible Concentración de O 2 Concentración de CO 2 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. 8