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Apuntes de Combustión

  1. Apuntes de de Combus detión Rubén Castro Yuberth Fabián Iglesias Quilodrán Carlos Rojas Ulloa
  2. COMBUSTIÓN 1. ¿QUÉ ES LA COMBUSTIÓN? Se entiende por combustión a la reacción química producida por la combinación de un combustible con el oxígeno del aire, generando calor. Para desencadenar este proceso es necesario una temperatura de iniciación conocida como temperatura de ignición. Los combustibles que usamos para ello están esencialmente compuestos de 5 elementos básicos: Carbono, Hidrógeno, Oxígeno, Nitrógeno y Azufre. Si cambia la cantidad de estos en la sustancia que llamamos combustible, podemos variar las propiedades del mismo, haciéndolo inclusive más eficiente, o menos contaminante. 2. RELACIÓN AIRE-COMBUSTIBLE Para llevar a cabo una combustión eficiente y que cumpla con las normativas es fundamental entender el concepto de la relación de aire-combustible. Esta relación indica la cantidad de kilogramos de aire que se necesita para quemar un kilogramo de combustible. ¿Por qué se necesita consumir aire para combustionar una sustancia? Como ya se dijo, la combustión es una reacción química que requiere oxígeno, y el oxígeno se encuentra en el aire acompañado principalmente de nitrógeno en las concentraciones explicadas en la Figura 1. Por ende, resulta sencillo y barato utilizar el aire atmosférico para realizar la combustión. Ahora, ¿cuánto aire se necesita para combustionar un combustible? 2.1. RELACIÓN AIRE-COMBUSTIBLE IDEAL Para quemar un kilogramo de combustible se necesita una cierta cantidad de aire. A través de una sencilla ecuación se puede saber la cantidad de aire que se necesita para combustionar un combustible en condiciones ideales. Esta ecuación es conocida como la ecuación de la relación aire combustible ideal. 𝑅𝐴 𝐶𝑖⁄ = 4,33 ∗ (2,66 ∗ 𝐶 + 8 ∗ 𝐻2 + 𝑆 − 𝑂) Esta ecuación permite saber cuántos kilogramos de aire se necesitan para quemar cada kilogramo de combustible. Los coeficientes 𝐶, 𝐻2, 𝑆 y 𝑂 se obtienen a partir de un análisis elemental, en el cual se obtiene la relación másica porcentual de cada elemento que compone el combustible. El análisis elemental puede ser exigido al fabricante o distribuidor del combustible. Figura 1. Porcentaje (en kilogramos) de la concentración de oxígeno y nitrógeno en el aire. Es sabido que en la atmósfera hay muchos más gases en suspensión (Argón, Xenón, Neón, Helio, dióxido de Carbono, etc.), pero dado que el oxígeno y el nitrógeno tienen una concentración mucho mayor a sus pares, es salvo analizar los procesos de combustión simplificando las concentraciones de gases al mostrado en la Figura 1. Nitrógeno 76,9% Oxígeno 23,1%
  3. Elemento Símbolo Masa molar (kg/mol) Carbono 𝐶 12 Hidrógeno 𝐻2 2 Oxígeno 𝑂2 32 Nitrógeno 𝑁2 28 Azufre 𝑆 32 Tabla 1. Masa molar de los principales componentes químicos de los combustibles. La demostración de esta ecuación resulta sencilla y proviene de las ecuaciones de estequiometria para la reacción química de combustión. Para hacerlo aún más sencillo se analizará la reacción de combustión para cada componente de un combustible de manera separada. Para la demostración se deberá tener en cuenta la masa molar de los distintos elementos que conforman un combustible. Estos datos son mostrados en la Tabla 1. CARBONO En primer lugar, se estudia la reacción química medida en moles. Cuando el carbono se oxida completamente en una reacción de combustión, produce dióxido de carbono. 1𝐶 + 1𝑂2 → 1𝐶𝑂2 De esta ecuación se deduce que, para cada mol de carbono, se necesita un mol de O2 para producir una combustión ideal. Ahora, transformando la unidad de medida de esta ecuación desde moles a kilogramos se obtiene: 12𝐶 + 3202 → 44𝐶𝑂2 Es decir, por cada 12 kilogramos de carbono, se necesitan 32 kilogramos de oxígeno. Si se simplifica esta relación, resulta evidente que para cada kilogramo de carbono se necesitan aproximadamente 2.66 kilogramos de oxígeno. HIDRÓGENO En una reacción de combustión, cuando se oxida el hidrógeno se produce agua, entonces: 2𝐻2 + 1𝑂2 → 2𝐻2 𝑂 Transformando la ecuación a kilogramos: 4𝐻2 + 32𝑂2 → 36𝐻2 𝑂 De esta última ecuación se observa que para cada 4 kilogramos de hidrógeno se necesitan 32 kilogramos de oxígeno. Simplificando, se puede decir que para cada kilogramo de hidrógeno se necesitan 8 kilogramos de oxígeno. AZUFRE Cuando se oxida el azufre en una reacción de combustión, se produce SO2. 1𝑆 + 1𝑂2 → 1𝑆𝑂2 Expresando la ecuación en kilogramos: 32𝑆 + 32𝑂2 → 64𝑆𝑂2
  4. Se observa que, por cada 32 kilogramos de azufre, se necesitan 32 kilogramos de oxígeno para completar la combustión. Al simplificar, es fácil darse cuenta que por cada kilogramo de azufre se necesita sólo 1 kilogramo de oxígeno. CANTIDAD DE OXÍGENO Y AIRE REQUERIDO De las relaciones recién estudiadas, resulta sencillo darse cuenta que la cantidad de oxígeno que requiere la combustión, por cada kilogramo de combustible es: 𝐶𝑎𝑛𝑡𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑜𝑥í𝑔𝑒𝑛𝑜 = 2,66 ∗ 𝐶 + 8 ∗ 𝐻2 + 𝑆 − 𝑂 Pero como se puede deducir de la Figura 1, por cada 100 kilogramos de aire, hay sólo 23.1 kilogramos oxígeno. Debido a esto, para saber la cantidad de aire requerido en la combustión se debe multiplicar la cantidad de oxígeno requerido por 100/23.1 (lo que es aproximadamente 4.33), entonces: 𝐶𝑎𝑛𝑡𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑎𝑖𝑟𝑒 = 4,33 ∗ (𝐶𝑎𝑛𝑡𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑑𝑒 𝑜𝑥í𝑔𝑒𝑛𝑜) Esta última ecuación es la ecuación de la relación aire combustible ideal, pues el lado derecho de esta ecuación permite saber la cantidad de aire que requiere la combustión por cada kilogramo de combustible. 2.2. RELACIÓN AIRE-COMBUSTIBLE REAL En situaciones reales, utilizar la cantidad de aire calculado con la ecuación de relación de aire combustible ideal no es práctico puesto que en la realidad es imposible obtener una mezcla homogénea y total de combustible y oxígeno. Esto se debe principalmente a lo rápido que ocurre la reacción química de combustión, así como a razones geométricas y de viscosidad del aire. Resulta evidente que la cantidad de aire que se debe utilizar en la práctica es mayor al calculado. Es por esto que es necesario definir la relación aire combustible real (𝑅𝐴 𝐶𝑟⁄ ), que es la cantidad de aire que realmente se utiliza en la combustión por cada kilogramo de combustible. 2.3. COEFICIENTE DE EXCESO DE AIRE Se le llama coeficiente de exceso de aire (simbolizado por la letra griega λ) al cociente entre la relación aire combustible real y la relación aire combustible ideal. Este valor es sumamente útil al momento de clasificar el tipo de combustión, y así, tener una idea general de qué gases está generando y cuán eficiente es en realidad. El coeficiente de exceso de aire, entonces, se calcula como: 𝜆 = 𝑅𝐴 𝐶𝑟⁄ 𝑅𝐴 𝐶𝑖⁄
  5. Figura 2. Este gráfico muestra la concentración de gases en la chimenea según λ. Gráfico basado en trabajo de Gary M. Hutter, 1993. 2.4. TIPOS DE COMBUSTIÓN Se pueden clasificar los tipos de combustión según los distintos valores que tenga λ. Si λ=1 la combustión es perfecta, que es el ideal en términos de que genera menores gastos y menor contaminación; cuando λ<1 ocurre una combustión incompleta, por lo que se liberan gases tóxicos a la atmósfera como el Monóxido de Carbono; si λ>1 sucede la combustión completa, lo que significa que no se liberan gran cantidad de gases tóxicos pero el combustible se agotará más rápido. En el caso de que λ<<1 se considera una combustión imperfecta, lo que significa que las concentraciones de gases tóxicos y material particulado serán aún mayores. En la siguiente tabla se muestran los distintos tipos de combustión que existen según el coeficiente λ. En cada tipo de combustión se especifica qué tipo de gases de salida se espera encontrar en la chimenea. Completa λ >1 𝑪𝑶 𝟐, 𝑯 𝟐 𝑶, 𝑺𝑶 𝟐, 𝑵 𝟐, 𝑶 𝟐 Perfecta λ =1 𝐶𝑂2, 𝐻2 𝑂, 𝑆𝑂2, 𝑁2 Incompleta λ <1 𝐶𝑂2, 𝐻2 𝑂, 𝑆𝑂2, 𝑁2, 𝐶𝑂 Imperfecta λ <<1 𝐶𝑂2, 𝐻2 𝑂, 𝑁2, 𝐶𝑂, 𝑁𝑂 𝑋, 𝑆𝑂2, 𝑃𝑀 Cabe señalar que a medida que se añade menos aire a la combustión, se añade menos oxígeno, provocando que el carbono no se oxide completamente y en vez de producir CO2, sólo se produzca CO. Por ello es importante que la combustión se efectúe en condiciones al interior de la región punteada indicada en la Figura 2, es decir que λ >1, pero cercana a la combustión perfecta; por lo que existirá un exceso de aire, concepto que se calculará más adelante y el cual también debe cumplir normativas. 2.5. DIAGRAMAS DE COMBUSTIÓN Para tener una visión general del comportamiento de los gases de combustión según el combustible, existen una serie de diagramas referidos a la composición elemental de estos, estos varían según el combustible a utilizar. Por lo general, se puede solicitar al proveedor del combustible el diagrama de combustión asociado. A continuación, se presenta el uso de tres diagramas con un ejemplo aplicado.
  6. DIAGRAMA DE BUNTE El siguiente diagrama de Bunte está basado en un combustible Fuel-Oil que presenta la siguiente composición química: El eje de las abscisas contiene la cantidad porcentual de O2 y CO2, y el eje de las ordenadas el porcentaje del CO2. Las rectas inclinadas indican el coeficiente de exceso de aire (λ). Según el análisis de gases de combustión se obtienen los siguientes datos: Por lo tanto, la suma del oxígeno con el dióxido de carbono representa el 17%. A partir de los datos se trazan las rectas vertical y horizontal obteniendo el λ correspondiente. Que en este caso indica que λ = 1,4. C H2 S H2O 83,85% 10,74% 3,6% 1,81% C2 O2 11,6% 5,4%
  7. DIAGRAMA DE OSTWALD El diagrama de Ostwald trabaja esencialmente con valores porcentuales de gases provenientes de la combustión, y con el característico de ésta. Posee en el eje de las abscisas las cantidades porcentuales de CO2, las cuales siguen trayectorias paralelas al eje de las ordenadas. El eje de las ordenadas, posee valores porcentuales de oxígeno, igualmente, a la salida de la combustión, y que desprende rectas paralelas al eje de las abscisas. En la sección diagonal, se encuentra el de la combustión, con una pendiente cercana a 0, mientras que, con una pendiente cercana a (-1), se encuentran los valores porcentuales de monóxido de carbono (CO). Teniendo entonces, dos de los valores anteriores nombrados, se puede obtener el resto de propiedades, a través del método gráfico de intersección de rectas, explicado con anterioridad. La composición química del combustible del diagrama es la siguiente:
  8. Por ejemplo, si se obtiene en el análisis de gases de combustión: CO2=12,4 % O2=2,9 % Se trazan las líneas punteadas indicadas en la figura y se obtiene que λ=1,10. DIAGRAMA DE KELLER Cuando la cantidad de Hidrógeno es alta, el diagrama de Ostwald no es muy exacto; por lo que es necesario emplear el diagrama de Keller, cuya estructura es muy similar a la de Ostwald. El diagrama está basado en Fuel-Oil Pesado con la siguiente composición química: C H S H20 85,50% 10,80% 2,70% 1,00% C H O N S H20 83,85% 10,74% 0,3% 0,3% 3,6% 1,21%
  9. Por ejemplo, si se obtiene en el análisis de gases de combustión: CO2=10,5 % O2=5,6 % Mediante el diagrama se obtiene que λ = 1,10 y %CO = % H2 = 3,2 % Es importante destacar que en el caso en que exista un exceso de aire mayor es preferible usar el diagrama de Ostwald. 3. COMBUSTIBLES Los combustibles son materiales y compuestos químicos capaces de liberar energía en forma de calor cuando se cambia su estructura química o nuclear mediante un proceso de combustión. La cantidad de calor que desprenda el combustible dependerá de su poder calorífico. Se le conoce como poder calorífico de un combustible a la cantidad de energía por unidad de masa que es capaz de liberar en su combustión. Es un valor que debe ser obtenido experimentalmente a través de un calorímetro (dispositivo que entrega el valor del poder calorífico de una muestra de combustible, calculado experimentalmente). Al ser un valor que depende de valores variables (que dependen de la humedad del material, del proceso de elaboración, etc.), en los cálculos de balances térmicos y energéticos, se limita a utilizar el poder calorífico inferior (PCI). De tal forma de ponerse en el peor de los casos, asegurándose así de que durante el proceso de combustión, la energía que entregue sea siempre mayor o igual que la calculada. 3.1. CLASIFICACIÓN DE LOS COMBUSTIBLES Para escoger un combustible a utilizar, se deben considerar varios factores, como el tipo de caldera que se utiliza, el precio del combustible, su poder calorífico, etc. Los combustibles pueden ser de origen natural, es decir, que ha sufrido ninguna o pocas modificaciones por parte del hombre. Pueden ser artificiales, con un clara intervención humana para crearlos, generalmente a través de procesos químicos. A la vez pueden presentarse en los distintos estados de la materia: sólido, líquido y gaseoso. Los combustibles se pueden clasificar según lo muestra la siguiente infografía.
  10. 3.2. COMBUSTIBLES SÓLIDOS Su poder calorífico depende tanto de los elementos que lo componen como de la cantidad de agua que contenga. Un análisis elemental, entrega el porcentaje másico de cada elemento que compone una determinada sustancia. Para el caso particular del carbón, se realiza el llamado análisis inmediato, que entrega valores de 4 propiedades importantes: humedad, cenizas (impurezas), materias volátiles (gases que contenga el carbón) y carbono; los resultados del test son utilizados para clasificar los carbones según sus aplicaciones industriales, y como referencia para posteriores cálculos estequiométricos. Para obtener el poder calorífico superior (PCS), sólo hay que asumir que la humedad del combustible es 0. A partir de ese valor, se puede calcular el poder calorífico inferior (PCI), asumiendo una humedad realista. Se tiene entonces: 𝑃𝐶𝐼 = 𝑃𝐶𝑆 − 5.85 ∗ (%𝐻2 𝑂 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙) La humedad superficial que posee el carbón se denomina como agua de imbibición, la cual resulta sencilla de evaporar al secar el carbón antes de utilizarlo como combustible. El agua de constitución se encuentra en los poros del carbón distribuida en el interior de este; para evaporar esta agua se necesitan temperaturas superiores a 150°C, y un ambiente sin oxígeno para evitar la combustión del carbón. Por ejemplo, si un carbón de 10 kg luego de evaporarse el agua de imbibición su masa se reduce a 8 kg, y posteriormente es secado en otra cámara, perdiendo 0.9 kg más (agua de constitución), entonces el agua total contenida en un principio fue de 2.9 kg. Entonces, la humedad total contenida era: %𝐻20 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑒 𝑎𝑔𝑢𝑎 𝑚𝑎𝑠𝑎 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 2.9 𝑘𝑔 10 𝑘𝑔 = 0.29 = 29% Tras haber analizado por completo el combustible, el laboratorio entrega un informe oficial en el que indica explícitamente todos los valores de propiedades anteriormente mencionadas, acorde a las normas establecidas en el país respectivo. 3.3. COMBUSTIBLES LÍQUIDOS Su ventaja es que, al ser un fluido, se puede dosificar al entrar al hogar, inclusive se puede ingresar en forma de pre mezcla (el combustible ingresa al hogar mezclado ya con el comburente (aire), antes de hacer ignición), lo que maximiza la eficiencia del proceso. La densidad (d) es la cantidad de masa por unidad de volumen que posee un compuesto, y es obtenida experimentalmente. La densidad varía con respecto a la temperatura, tal como lo muestra el siguiente diagrama.
  11. Sin embargo, la densidad se estandariza en la medida obtenida a presión atmosférica y a 15.5°C. En el gráfico se observa claramente como la densidad de un combustible líquido disminuye progresivamente a medida que aumenta la temperatura. A raíz de lo anterior, se deducen cuatro ecuaciones de importancia para este tipo de combustibles: CÁLCULO DEL PODER CALORÍFICO SUPERIOR (PCS). Para calcular el poder calorífico superior, en 𝑘𝐶𝑎𝑙 𝑘𝑔⁄ basta con utilizar la fórmula: 𝑃𝐶𝑆 = 12400 − 2100𝑑2 CONTENIDO DE HIDRÓGENO EN EL COMBUSTIBLE. El contenido de hidrógeno en el combustible, expresado en porcentaje del peso total del combustible se calcula como: %𝐻 = 25 − 15𝑑
  12. VOLUMEN DE AIRE NECESARIO El volumen de aire necesario para llevar a cabo la combustión (Va), en condiciones ideales, y expresado en 𝑁 𝑚3 𝑘𝑔 𝑐𝑜𝑚𝑏𝑢𝑠𝑡𝑖𝑏𝑙𝑒⁄ es: 𝑉𝑎 = 12400 − 2100𝑑2 748 CALOR ESPECÍFICO El calor específico del combustible líquido a presión constante (Cp), a una determinada temperatura (t) medida en grados celsius. 𝐶𝑝 = 1 √𝑑 ∗ (0.403 − 0.0008𝑡) Cualquier combustible líquido derivado del petróleo, ha pasado un extenso proceso de refinación, pero esto no quiere decir que se hayan logrado eliminar todos los residuos sólidos en él. En efecto, es sabido que todos los combustibles líquidos poseen cierta cantidad de residuos carbonosos, que pueden dificultar el proceso de combustión, e inclusive dañar el hogar. Es importante considerar este tópico al momento de elegir el combustible, ya que, a modo de ejemplo, si se usa una parafina de mala calidad, con muchos residuos sólidos, para una estufa, sus conductos podrían ser tapados por los residuos, e inutilizarla con el paso del tiempo. Tras realizada la combustión en el hogar, se expelen compuestos gaseosos, así como compuestos sólidos. Una alta cantidad de ceniza puede igualmente dañar los órganos y paredes de la caldera, generando corrosión y deterioro progresivo. La API (American Petroleum Institute), entidad internacional que agrupa a más de 400 productores de petróleo, creó el grado API (°API) a modo de clasificación de densidad del combustible. A modo de comparación, 10°API equivalen a la densidad del agua. Mientras más alto el número, más baja la densidad; es decir, si tenemos un Fuel Oil con 15°API, y depositamos un poco en agua, este flotará en su superficie. °API Poder calorífico (kCal/kg) Masa del aire para combustión teórica (kg/kg combustible) Peso total de gases en la chimenea (kg/kg combustible), con % de exceso de aire Rango %C %H Superior Inferior 0% 5% 10% 15% 20% 30% 0 a 4 89.8 8.7 9890 9320 13.3 14.4 15.0 15.7 16.4 17.0 18.4 5 a 9 89.3 9.2 10050 9510 13.5 14.6 15.2 15.9 16.6 17.2 18.6 10 a 14 88.8 10.2 10200 9640 13.7 14.8 15.5 16.1 16.8 17.5 18.9 15 a 20 88.2 10.8 10360 9770 13.8 14.9 15.6 16.2 16.9 17.6 19.0 Tabla 2. Grados api para el petróleo, suponiendo una humedad relativa del 20% en el aire.
  13. 3.4. COMBUSTIBLES GASEOSOS. Los combustibles gaseosos, al estar en el mismo estado que el aire (comburente), se tienden a mezclar y combustionar en perfecta armonía. Por esta misma razón, una fuga de gas es una situación sumamente delicada, puesto que una sola chispa podría generar la combustión de la mezcla aire- combustible, lo que, en una cámara, hogar, o inclusive domicilio, se traduce en una explosión. El poder calorífico de los gases se mide en kCal/Nm3, a diferencia del poder calorífico de combustibles sólidos y líquidos, que se mide en kcal/kg. Los gases, por naturaleza, tienden a adaptarse a las condiciones del entorno, variando así sus propiedades (1 metro cúbico de gas a 20°C es menos denso que 1 metro cúbico de gas a 0°C). Para estandarizar medidas, evitando estos errores, se acordó trabajar con cantidades a condiciones normales de presión y temperatura (0°C y 1 atm). Gas Peso molecular kCal/m3 Vol de 1 kg kCal/kg Hidrógeno 2 3.027 11.2 33.910 Metano 16 9.485 1.4 13.280 Etano 30 16.770 0.75 12.410 Propano 44 22.710 0.51 12.040 Butano 58 31.150 0.39 11.840 INTERCAMBIABILIDAD DE GASES COMBUSTIBLES. Un gas combustible será intercambiable con otro, en un mismo quemador, para las mismas condiciones de suministro, temperatura y presión, si mantienen las mismas características de combustión. Para corroborarlo, se establecen las relaciones de Wobbe (W) y de Delbourg (C). Ambos son valores que las empresas distribuidoras de gas suelen entregar a petición del usuario. De esta forma, si dos o más combustibles gaseosos tienen el mismo índice de Wobbe (o Delbourg, cualquiera de ambos) quiere decir que se pueden mezclar en un quemador o intercambiar entre sí. Estas maniobras permiten muchas veces ahorrar costos a una empresa.
  14. 4. LA LLAMA Se le denomina llama al resultado observable de la liberación de calor por parte de una combustión. Es, en palabras simples, la huella que deja del proceso de combustión, ya que a través de su estudio se pueden averiguar muchos aspectos de la combustión como la cantidad de oxígeno que forma parte de la combustión, su temperatura o elementos químicos que componen el combustible. La forma más simple de clasificar llamas es a través de sus características observables. En la Figura 3 se indican las deducciones teóricas que podemos obtener tan solo conociendo el color de la misma. Así mismo, en una llama estática se pueden encontrar 3 secciones distintas:  Interior: es el lugar en donde el combustible existe en forma de vapor, pero la ausencia de oxígeno evita la combustión.  Intermedia: es el lugar donde se comienza a realizar el proceso de combustión. También es la zona que más energía libera, y por ende, su temperatura es mayor.  Externa: Aquí se termina de realizar el proceso de combustión, y aparecen los gases resultantes de esta. Figura 4. Zonas de la llama. Figura 3. Los colores azules en las llamas denotan una combustión completa; un color amarillo, una combustión incompleta; un color rojo, presencia de óxidos en la combustión (ZnO2, FeO2, etc); un color verdoso, que se combustionan metales tales como zinc, cobre o hierro.
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