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Combustión y combustibles
quimica (9979)
University of Namibia
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01C22 01 COMBUSTION
COMBUSTION Y COMBUSTIBLES
Ricardo García San José. Ingeniero Industrial. (Noviembre 2)
INDICE
- 1.- DEFINICION................................................................................................................
- 2.- ESTEQUIOMETRIA DE LAS COMBUSTIONES.......................................................
- 2.- COMBUSTION COMPLETA..............................................................................
- 2.- COMBUSTION INCOMPLETA..........................................................................
- 2.- COMBUSTION ESTEQUIOMETRICA...............................................................
- 2.3.- PODER COMBURIVORO........................................................................
- 2.3.- PODER FUMIGENO................................................................................
- 2.3.- COEFICIENTE DE EXCESO DE AIRE...................................................
- 3.- PODERES CALORIFICOS...........................................................................................
- 3.- PODER CALORIFICO INFERIOR (PCI)............................................................
- 3.- PODER CALORIFICO SUPERIOR (PCS)...........................................................
- 4.- RENDIMIENTO DE LA COMBUSTION.....................................................................
- 5.- COMBUSTION Y CONTAMINACION AMBIENTAL................................................
- 5.- CONTAMINACION DEBIDA AL CARBONO...................................................
- 5.- CONTAMINACION DEBIDA AL AZUFRE.......................................................
- 5.- CONTAMINACION DEBIDA AL NITROGENO...............................................
- 5.- LIMITES ADMISIBLES......................................................................................
- 5.4.- LIMITES DE EMISION............................................................................
- 5.4.- LIMITES DE INMISION..........................................................................
- 6.- CLASIFICACION DE LOS COMBUSTIBLES............................................................
- 7.- ANALIZADORES DE COMBUSTION........................................................................
2.- ESTEQUIOMETRIA DE LAS COMBUSTIONES.......................................................
Las consideraciones siguientes se refieren al uso de aire como comburente, ya que es el utilizado en la práctica totalidad de las instalaciones de calderas.
La estequiometría de la combustión se ocupa de las relaciones másicas y volumétricas entre reactivos y productos. Los aspectos a determinar son principalmente:
- Aire necesario para la combustión
- Productos de la combustión y su composición
Para predecir estas cantidades es preciso referirse a un proceso ideal que dependa de unos pocos parámetros, básicamente la naturaleza del combustible. Para definir este proceso ideal se consideran los tipos de combustión que pueden darse:
2.- COMBUSTION COMPLETA..............................................................................
Conduce a la oxidación total de todos los elementos que constituyen el combustible. En el caso de hidrocarburos:
Carbono CO 2 Hidrogeno H 2 O Azufre SO 2 Nitrógeno N 2 Oxigeno Participará como oxidante
El Nitrógeno se considera como masa inerte, si bien a las altas temperaturas de los humos pueden formarse óxidos de nitrógeno en pequeñas proporciones (del orden de 0,01%).
2.- COMBUSTION INCOMPLETA..........................................................................
Los componentes del combustible no se oxidan totalmente por lo que aparecen los denominados inquemados , los mas importantes son CO y H 2 ; otros posibles inquemados son carbono, restos de combustible, etc.
2.- COMBUSTION ESTEQUIOMETRICA...............................................................
Es la Combustión Completa realizada con la cantidad estricta de oxígeno; es decir, el aire empleado en la combustión es el mínimo necesario para contener la cantidad de oxígeno correspondiente a la oxidación completa de todos los componentes del combustible.
La expresión de esta combustión es:
CxHy + n Aire (O 2 + N 2 ) x CO 2 + (y/2) H 2 O + 0,79 nN 2 + Calor (Q)
En este caso 0,21·n = x + (y/4), siendo el calor generado es el correspondiente a la combustión completa.
La combustión estequiométrica permite definir los parámetros característicos de los combustibles:
2.3.- PODER COMBURIVORO........................................................................
Es la cantidad de aire seco, medida en condiciones normales (Tª=0°C y P=1atm), mínima necesaria para la combustión completa y estequiométrica de la unidad de combustible.
Unidades habituales: Nm 3 /kgCombustible, Nm 3 /Nm 3 Combustible.
Es un parámetro característico únicamente de la composición del combustible y puede tabularse con facilidad.
2.3.- PODER FUMIGENO................................................................................
Es la cantidad de productos de la combustión (Nm 3 ) que se producen en la combustión estequiométrica de la unidad de combustible.
En función de considerar o no el vapor de agua existente en los productos de la combustión, se tienen Poderes Fumígenos Húmedo y Seco , respectivamente.
2.3.- COEFICIENTE DE EXCESO DE AIRE...................................................
La mayor parte de las combustiones no transcurren en estas condiciones ideales (completa y estequiométrica), el principal aspecto a considerar será la posibilidad de que la combustión transcurra con exceso o defecto de aire, para caracterizar la proporción de oxigeno se define el parámetro “coeficiente de exceso de aire”:
n = volumen aire por unidad de combustible / Poder Comburívoro
n = 1 : Combustión Estequiométrica n < 1 : Defecto de aire, se dice que la mezcla es rica n > 1 : Exceso de aire, se dice que la mezcla es pobre
Así la combustión puede ser clasificada en:
* COMBUSTION CON DEFECTO DE AIRE
La cantidad de aire utilizada no contiene el oxígeno necesario para oxidar completamente a los componentes del combustible.
CxHy + n 2 (O 2 + N 2 ) CO 2 + CO + H 2 + H 2 O + 0,79 n 2 N 2 + Calor (Q 1 )
Además de los productos normales de la combustión, Dióxido de carbono (CO 2 ) y Agua (H 2 O), se producen inquemados como el Monóxido de Carbono (CO) e Hidrógeno (H 2 ); en algunos casos con mucho defecto de aire puede haber incluso carbono y combustible sin quemar, en los humos. El calor producido es inferior al de la combustión completa (Q 1 Q).
3.- PODERES CALORIFICOS...........................................................................................
Se define como Poder Calorífico de un combustible, a la cantidad de calor que se obtiene de la oxidación completa, a presión atmosférica, de los componentes de la unidad de masa (o volumen) de dicho combustible.
Habitualmente se expresa en las siguientes unidades
- Combustibles sólidos: kWh/kg.
- Combustibles líquidos: kWh/kg ó kWh/l.
- Combustibles gaseosos: kWh/kg ó kWh/Nm 3. (*)
(*) Nm 3 (Normal m 3 ) es el gas contenido en 1 m 3 a 0 ºC y presión atmosférica. A veces se utiliza Sm 3 (Estándar m 3 ) que es el gas contenido en 1 m 3 a 15 ºC y presión atmosférica.
En la combustión, por la oxidación del hidrógeno, se forma agua; además, los combustibles pueden tener un cierto grado de humedad en su composición; dependiendo del estado en que aparezca el agua en los humos, se distinguen dos tipos de poderes caloríficos:
3.- PODER CALORIFICO INFERIOR (PCI)............................................................
Es la cantidad de calor que puede obtenerse en la combustión completa de la unidad de combustible, si en los productos de la combustión el agua está en forma de vapor.
En este caso una parte del calor generado en las oxidaciones se utiliza para evaporar el agua, por tanto esta parte del calor no se aprovecha.
3.- PODER CALORIFICO SUPERIOR (PCS)...........................................................
En los productos de la combustión el agua aparece en forma líquida, por lo que se aprovecha todo el calor de oxidación de los componentes del combustible.
Habitualmente el agua se evacua con los humos en fase vapor, por lo que el poder calorífico más comúnmente utilizado es el inferior.
4.- RENDIMIENTO DE LA COMBUSTION.....................................................................
El calor que puede obtenerse en una combustión es el correspondiente al Poder Calorífico del combustible (PCI ó PCS), habitualmente referido al PCI.
Al realizar la combustión, una parte del calor producido se pierde, asociado a los productos de la combustión; estas pérdidas se pueden agrupar en dos tipos:
- Pérdidas por Inquemados (Qi)
Corresponden al poder calorífico de los productos de la combustión que no han sido totalmente oxidados.
Unicamente se presentan en el caso de combustiones incompletas, siendo más altas cuanto mayor sea la cantidad de inquemados.
- Entalpía de los productos de la combustión (Qhs)
Corresponde al calor utilizado en calentar los humos hasta la temperatura a la cual escapan por la chimenea, ya que a partir de ese punto el calor que llevan no se recupera.
Estas pérdidas son mayores cuanto más altas sean las temperaturas de humos. También aumentan con el exceso de aire, ya que con el mismo aumenta el volumen de humos, transportando mayor cantidad de calor.
PCI - Qi - Qhs c = PCI
c = 1 - Qi/PCI – Qhs / PCI = 1 - qi - qhs
Con el fin de obtener el máximo rendimiento de combustión posible, ésta debe ajustarse de modo que se logre la combustión completa con el menor exceso de aire posible. Además, el gasto de combustible debe ajustarse de modo que se obtengan las temperaturas de humos más bajas posibles, produciendo la potencia necesaria para el servicio.
temperaturas de condensación ácida son del orden de 160ºC, variando con la composición de los humos.
5.- CONTAMINACION DEBIDA AL NITROGENO...............................................
A las elevadas temperaturas de la llama, el nitrógeno que forma parte del combustible y el nitrógeno del aire comburente pueden combinarse con el oxígeno para formar NO, este producto en la atmósfera se combina lentamente con el oxígeno del aire para formar NO 2.
Entre los diferentes efectos perniciosos de estos óxidos (NO y NO2, denominados conjuntamente como NOx) se pueden citar:
- Colaboran en la destrucción de la capa de ozono de forma importante
- En combinación con el agua de la atmósfera pueden dar lugar a condensaciones ácidas lo que incrementa la “Lluvia ácida”.
- El NO 2 es un gas venenoso.
La formación del NO se potencia a elevadas temperaturas, a temperaturas inferiores a unos 1ºC apenas es considerable. El exceso de aire en la combustión también favorece su formación aunque en menor medida que la temperatura. Así las diferentes soluciones que se han propuesto para minimizar estas emisiones en lo posible tratan de disminuir las temperaturas de llama; en principio esto afectaría negativamente al rendimiento de la combustión, por lo que se trata de buscar soluciones que compensen la perdida de rendimiento. El problema no es sencillo y esta lejos de resolverse definitivamente.
5.- LIMITES ADMISIBLES......................................................................................
Las instalaciones de combustión pueden provocar problemas de contaminación, por una parte por los humos que salen por las chimeneas, pero por otra también pueden deteriorar la calidad del aire ambiente, debido a escapes de humos hacia los locales; esta última situación es mas peligrosa cuando se utilizan calderas atmosféricas con cortatiros, o aparatos a gas No Conectados a conducto de evacuación de humos.
Evidentemente los niveles máximos permitidos son diferentes para las emisiones al exterior que para las inmisiones a los locales; ya que las primeras se dispersan en la atmósfera diluyéndose en la misma y las segundas afectan directamente a las personas.
5.4.- LIMITES DE EMISION............................................................................
En las instalaciones de climatización los limites de emisión, actualmente solo están reglamentados para el CO; los mismos son:
RITE < 1 ppm. (ppm = partes por millón).
País Vasco: para Gas < 800 ppm, para valores entre 400 y 800 ppm se debe revisar el equipo.
Deben ser No Diluidos, o Corregidos, es decir referidos a la combustión estequimetrica (sin exceso de aire); la unidad ppm no resulta suficientemente significativa ya que no considera el exceso de aire y, por ejemplo, en una caldera atmosférica la medición es totalmente diferente que se realice antes o después del cortatiros y sin embargo la contaminación es la misma. Sería mas adecuado que el nivel se fijase en mg/kWh, de manera que todos los combustibles serían comparables.
5.4.- LIMITES DE INMISION..........................................................................
En la tabla siguiente se muestran las concentraciones máximas admisibles en el aire interior , desde el punto de vista sanitario, de las sustancias contaminantes procedentes de la combustión; estos datos se refieren a periodos de exposición de 8 horas y han sido obtenidos a partir de resultados publicados por organismos internacionales como WHO, EPA, ASHRAE; si bien no están recogidos en la normativa aplicable vigente. Para periodos de exposición mas cortos se pueden admitir concentraciones superiores.
DIOXIDO DE CARBONO CO 2 800 ppm MONOXIDO DE CARBONO CO 9 ppm OXIDOS DE NITROGENO NOx 0,15mg/m 3 DIOXIDO DE AZUFRE SO2 0,80mg/m 3
SUSTANCIA CONCENTRACION
CONCENTRACIONES MAXIMAS (Periodo de estancia 8 horas)
Respecto al CO ambiente los límites en el País Vasco son < 15 ppm; entre 5 y 15 ppm se deben revisar los aparatos de combustión.
En los cuadros siguientes se dan las características de los combustibles comercializados en España; los contenidos de azufre máximos están regulados por las normativas vigentes; de entre ellos los mas utilizados en las instalaciones de Climatización son: Gasóleo-C, Gas Natural y Gas Propano.
COMBUSTIBLE UNIDAD DENSIDAD 960 kg/m 3960 kg/m 3980 kg/m 3 9 kcal/kg 9 kcal/kg 9 kcal/kg 11,15 kWh/kg 11,01 kWh/kg 10,78 kWh/kg 10/kg 9 kcal/kg 9 kcal/kg 11,76 kWh/kg 11,61 kWh/kg 11,36 kWh/kg PCI/PCS 10,29 Nm 3 /kg 10,18 Nm 3 /kg 9,99 Nm 3 /kg 0,92 Nm 3 /kWhPCI 0,92 Nm 3 /kWhPCI 0,93 Nm 3 /kWhPCI 9,75 Nm 3 /kg 9,64 Nm 3 /kg 9,49 Nm 3 /kg 0,87 Nm 3 /kWhPCI 0,88 Nm 3 /kWhPCI 0,88 Nm 3 /kWhPCI 10,87 Nm 3 /kg 10,74 Nm 3 /kg 10,54 Nm 3 /kg 0,97 Nm 3 /kWhPCI 0,98 Nm 3 /kWhPCI 0,98 Nm 3 /kWhPCI PFS/PC 3,15 kg/kg 3,10 kg/kg 3,07 kg/kg 283 gr/kWhPCI 282 gr/kWhPCI 284 gr/kWhPCI 1,53 kg/kg 1,50 kg/kg 2,00 kg/kg 137 gr/kWhPCI 136 gr/kWhPCI 185 gr/kWhPCI CO 2 maximo (%) CONTENIDO AZUFRE
H 2 O PRODUCIDO EN COMBUSTION
CUADRO RESUMEN CARACTERISTICAS DE FUEL OIL
0,
0,
CO 2 PRODUCIDO EN COMBUSTION
FUEL OIL BIA FUEL OIL 1 FUEL OIL 2
0,
kg
16,46% < 2,7 % < 3,5 %
16,47% 16,37% < 1 %
kg kg
PCI (PODER CALORIFICO INFERIOR)
PCS (PODER CALORIFICO SUPERIOR)
0,948 0,
0, PODER COMBURIVORO
PODER FUMIGENO SECO
PODER FUMIGENO HUMEDO
COMBUSTIBLE
DENSIDAD 890 kg/m3 0,828 kg/Nm 3 2,038 kg/Nm 3 DENSIDAD RELATIVA 8 kcal/l 22/Nm 3 10,28 kWh/l 26,20 kWh/Nm 3 9 kcal/kg 11/kg 11,55 kWh/kg 12,86 kWh/kg 9 kcal/l 24/Nm 3 10,89 kWh/l 28,46 kWh/Nm 3 10 kcal/kg 12/kg 12,24 kWh/kg 13,97 kWh/kg PCI/PCS 9,44 Nm 3 /l 24,61 Nm 3 /Nm 3 10,61 Nm 3 /kg 12,08 Nm 3 /kg 0,92 Nm 3 /kWhPCI 0,95 Nm 3 /kWhPCI 0,94 Nm 3 /kWhPCI 8,90 Nm 3 /l 22,56 Nm 3 /Nm 3 10,00 Nm 3 /kg 11,07 Nm 3 /kg 0,87 Nm 3 /kWhPCI 0,86 Nm 3 /kWhPCI 0,86 Nm 3 /kWhPCI 10,01 Nm 3 /l 26,67 Nm 3 /Nm 3 11,24 Nm 3 /kg 13,09 Nm 3 /kg 0,97 Nm 3 /kWhPCI 1,05 Nm 3 /kWhPCI 1,02 Nm 3 /kWhPCI PFS/PC 2,80 kg/l 6,11 kg/Nm 3 3,15 kg/kg 3,00 kg/kg 273 g/kWhPCI 204 g/kWhPCI 233 g/kWhPCI 0,89 kg/l 3,31 kg/Nm 3 1,00 kg/kg 1,62 kg/kg 87 g/kWhPCI 155 g/kWhPCI 126 g/kWhPCI CO 2 maximo (%) CONTENIDO DE AZUFRE
CO 2 PRODUCIDO EN COMBUSTION
H 2 O PRODUCIDO EN COMBUSTION
(PFS) PODER FUMIGENO SECO
(PFH) PODER FUMIGENO HUMEDO
< 0,2 %
CUADRO RESUMEN CARACTERISTICAS DE LOS COMBUSTIBLES
0,943 0,902 0,
0,944 0,
0,
(PC) PODER COMBURIVORO 10,
Nm
10 kcal/Nm 3
11,98 kWh/Nm 3
9 kcal/Nm 3
10,83 kWh/Nm 3
Nm 3 /Nm 3
16,05% 12,06%
kg/Nm 3
1,68 kg/Nm 3
14,03% NULO < 0,05 %
UNIDAD
PCI (PODER CALORIFICO INFERIOR)
PCS (PODER CALORIFICO SUPERIOR)
11,42 Nm 3 /Nm 3
2,
Nm 3 /Nm 3
9,
GASOLEO C GAS NATURAL GAS PROPANO
0,
kg
l kg Nm
1,
BIBLIOGRAFIA
- LA COMBUSTION.
Edelmira Valero Ruiz.
MANUAL DEL GAS Y SUS APLICACIONES. SEDIGAS. 1.
MANUAL DE EFICIENCIA ENERGETICA TERMICA EN LA INDUSTRIA. Luis Alfonso Molina Igartua, Gonzalo Molina Igartua. CADEM 1.
LA COMBUSTION DEL GAS NATURAL EN LAS CALDERAS DE VAPOR. Virgilio Martínez Lombardo. ENAGAS 1.
LES OXIDES DÁZOTE (HORS CARBURATION). NUISANCES, FORMATION, REDUCTION, MESURES, REGLAMENTATION. Revue générale de Thermique. 1.
FLAME & COMBUSTION. J. Barnard - J. Bradley. Chapman and Hall 1.
SULPHUR DIOXIDE & NITROGEN OXIDES IN INDUSTRIAL WASTE GASES: EMISSION, LEGISLATION & ABATEMENT. Edited by Daniel Van Velzen. EURO COURSES. Chemical & environmental science. Vol. 3.
ANEXOS:
TRANSFORMACION MEDICIONES
ppm = Partes por millón = cm 3 compuesto /m 3 de Humos Secos
1 mol = Masa Molecular (g) = 22,4 l = 22,4·10 3 cm 3
Por tanto g = ppm · PM / (22,4·10 3 cm 3 )
mg/Nm 3 Humos Secos = ppm · PM / 22,
ppmcorregido = ppmmedido · 21 / (21 – O2medido)
mg/kWh = ppmmedido · PM/22,4 · 21/(21-O2medido) · PFS/PCI
g/kWh = %medido ·10· PM/22,4 · 21/(21-O2medido) · PFS/PCI
CALCULO DEL PUNTO DE ROCIO DE LOS HUMOS
Cambio de fase en sustancias puras: Ecuación de CLAPEYRON f(P,T) = 0.
Caso: Vapor Líquido.
Aproximaciones: Vliq <<< Vvapor Vvapor Modelo GAS PERFECTO. Calor latente de vaporización: cte con la temperatura.
Temperatura en K; Presión en bar.
De 10 a 30°C LnPv = -2,12/0,4612·T + 14,40 51 T = -2,12/((LnPv - 14,4051)·0,4612)
De 30 a 70°C LnPv = -2,6/0,4612·T + 13, T = -2,6/((LnPv - 13,9015)·0,4612)
x = 0,622·Pv(t)/(P/ -Pv(t))
Donde: Pv(t): Presión de vapor del agua a la temperatura t. P: Presión total (atmosférica). : Humedad relativa (o/1). x: Humedad absoluta (gr/kg aire seco)
((H 2 O(cble) + PC·(1+exceso aire)·x)/18)·8·273/(PF + PC·exceso de aire)
PC: Poder comburivoro. PF: Poder fumigeno. (H 2 O(cble) + PC·(1+exceso aire)·x)/18 : Moles de H 2 O en los humos. PF + PC·exceso de aire : Volumen de humos.
x = 0,62198·(Ps(aire comburente)/(Pat/HR-Ps)· aire
CONDENSACION DEL SO 4 H 2 EN LOS HUMOS
TRS = 1/(1,7842+0,0269·LgPH 2 O-0,1029· LgPSO 3 +0,0329· LgPH 2 O· LgPSO 3 )
Para calcular la presión parcial del SO 3 debe conocerse la constante de equilibrio de la reacción:
SO 2 + ½ O 2 SO 3
1º Calcular los moles de SO 2 que se producen por unidad de combustible. % en peso S Moles S Moles SO 2 Moles SO 3 2º Presión parcial del SO 3 Presión parcial del SO 2 · o/1 SO 3 /SO 2 3º TRS T rocio del SO 4 H 2
Combustión y combustibles
Course: quimica (9979)
University: University of Namibia
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