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Industrias I 72.02

Combustión

72.02 – Industrias I Combustión

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8 COMBUSTIÓN ................................................................................................................. 3

8.1 Combustibles de uso industrial ...................................................................................... 3 8.1.1 Clasificación de los combustibles ......................................................................... 3

8.2 Poder calorífico de un combustible ............................................................................... 4 8.3 Combustión ..................................................................................................................... 5

8.3.1 Combustión perfecta .............................................................................................. 5 8.3.2 Combustión completa............................................................................................. 5 8.3.3 Reacciones de combustión..................................................................................... 6

8.4 Puesta a punto de la combustión.................................................................................... 6 8.4.1 Condiciones que deben cumplirse en los gases de combustión para lograr la “puesta a punto de la combustión” .................................................................................... 7

8.5 Análisis de los gases de combustión ............................................................................. 8 8.5.1 Determinación de los gases.................................................................................... 9

8.6 Diagrama de Ostwald ................................................................................................... 10 8.7 Equipos industriales para quemar combustibles. (Quemadores)............................... 11

8.7.1 Quemador de combustible líquido ...................................................................... 11 8.7.2 Quemador de combustible gaseoso ..................................................................... 13 8.7.3 Quemador de combustible sólido ........................................................................ 13


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8 COMBUSTIÓN 8.1 Combustibles de uso industrial Los combustibles son sustancias que al combinarse con el oxígeno producen un gran desprendimiento de calor. En otras palabras, se puede decir que los combustibles son sustancias que al reaccionar con el oxígeno dan lugar a reacciones exotérmicas. Las transformaciones básicas de los minerales se hacen utilizando el calor, como agente físico, en hornos y para ello se requieren lo combustibles. 8.1.1 Clasificación de los combustibles Existen diversas formas de clasificar los combustibles, seguidamente se desarrollarán tres de ellas, de acuerdo al estado físico, de acuerdo al origen y de acuerdo a las características químicas de los mismos. • De acuerdo al estado físico se clasifican en:

Ø SÓLIDOS: Carbón de piedra (hulla, antracita, etc.) Carbón de leña.

Coque (residuo de la destilación del petróleo) Leña.

Ø LÍQUIDOS: Petróleo y sus productos de destilación (Fuel, Oil, gasoil, etc.). Ø GASEOSOS: Gas natural. Gas de gasógeno.

Gas de alto horno. • De acuerdo al origen se clasifican en:

Ø NATURALES: Hulla, lignito, antracita, petróleo, gas natural, etc. Ø ARTIFICIALES: Coque, derivados de petróleo, gas de alto horno, etc.

• De acuerdo a las características químicas se clasifican en:

Ø ORGÁNICOS: Todos aquello que contienen carbono en su composición química, es decir todos los citados en 1.1.1 y 1.1.2.

Ø INORGÁNICOS (o ACCIDENTALES): Los que no tienen carbono en su composición tales como el hidrógeno, fósforo, silicio, etc. También se denominan accidentales pues trabajan “por accidente” tal es el caso del fósforo y silicio que suelen encontrarse como impurezas en el arrabio y trabajan como combustibles en los convertidores para producir acero.


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8.2 Poder calorífico de un combustible El poder calorífico de un combustible es una característica física del mismo y permite prever el calor que podemos esperar que nos ceda en un proceso térmico. Se define como: “La cantidad de calorías que produce un combustible durante la combustión completa de un kilogramo del mismo”. Se mide en calorías / kg. Se pueden distinguir dos tipos de poderes caloríficos para cada combustible, el poder calorífico superior y el inferior. Se diferencian entre sí en que el primero comprende todo el calor producido, incluyendo el requerido para vaporizar la humedad que contiene el mismo. El inferior no considera las calorías consumidas para vaporizar la humedad que contiene el combustible, por consiguiente éste es que el nos da las calorías que realmente son aprovechables en un proceso térmico. Seguidamente se indican en el cuadro N° 1, los poderes caloríficos aproximados de distintos combustibles. CUADRO N° 1- PODERES CALORÍFICOS APROXIMADOS DE COMBUSTIBLES- COMBUSTIBLE ESTADO FÍSICO PODER CALORÍFICO

(Kcal / kg.) ANTRACITA sólido 8.200 LEÑA sólido 4.500 HULLA sólido 8.500 COQUE sólido 7.200 METANO gas 13.000 SILICIO sólido 7.800 FÓSFORO sólido 5.750 HIDRÓGENO gas 34.500 FUEL OIL líquido 9.600 Conocida la composición química de un combustible resulta posible el cálculo de su poder calorífico, empleando la expresión determinada por Dulong: Donde: %C: es el porcentaje en peso de Carbono %H: es el porcentaje en peso de Hidrógeno %O: es el porcentaje en peso de Oxígeno %S: es el porcentaje en peso de Azufre Los valores que se obtienen mediante el uso de la expresión de Dulong son aproximados.

PODER CALORÍFICO = 81 x %C + 288 . (%H - %O / 8) + 22,3 x %S


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8.3 Combustión “La combustión es una reacción química que consiste en la oxidación violenta de un elemento con desprendimiento de calor y, generalmente, llamas.” Intervienen en la misma el combustible y el oxígeno como comburente. Con el objeto de analizar este tipo de reacción es necesario distinguir entre tres distintos tipos de combustión, la denominada combustión perfecta, la incompleta y la completa. 8.3.1 Combustión perfecta La combustión perfecta es la que se produce, teóricamente, de acuerdo a cantidades estequiométricas de combustible y comburente. Este tipo de reacción sólo se puede lograr en un laboratorio y no se da en la práctica industrial. Un ejemplo de reacción perfecta sería el siguiente: C + O2 → CO2 + Q (cal) 12g C + 32g (O2) → 44g (CO2) Es decir que reaccionen completamente 12g de carbono con 32g de oxígeno para dar 44g de dióxido de carbono y desprender calor. Como se ve, en este caso, han reaccionado un átomo-gramo de carbono con una molécula de oxígeno para dar una molécula-gramo de dióxido de carbono, ello implicaría que hasta el último átomo de carbono ha reaccionado con la última molécula de oxígeno para dar una molécula de dióxido de carbono, lo cual es imposible en las reacciones de combustión industrial. Combustión incompleta Se llama así a la reacción en la cual no se quema todo el carbono del combustible dando dióxido de carbono, sino que reacciona para dar monóxido de carbono y en algunos casos queda C libre incandescente. Esta última situación se puede visualizar en la llama de color amarillo de un mechero Bunsen cuando el gas se quema con poco aire. Un ejemplo de combustión incompleta, se da en la reacción siguiente:

C + ½ O2 → CO + Q’ (cal) También esta reacción es exotérmica, pero la cantidad de calor desprendido es menor que en el caso de la combustión perfecta. El monóxido de carbono resultante podría entrar nuevamente en combustión y desprender más calor, según la siguiente reacción:

CO + ½ O2 → CO2 + Q’ (cal)

8.3.2 Combustión completa La combustión completa es aquella en la cual todo el carbono del combustible reacciona con el oxígeno del comburente para dar dióxido de carbono. La reacción es similar a la de


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la combustión perfecta, con la diferencia que, para que ocurra, es necesario agregar una mayor cantidad de oxígeno (con el comburente) que la requerida de acuerdo al cálculo estequiométrico. Dicha cantidad en exceso (cuando se utiliza aire como comburente), se denomina “exceso de aire”. 8.3.3 Reacciones de combustión A continuación se dan ejemplos de reacciones combustión: • Carbones (al quemar 1 kg de combustible)

C + O2 → CO2 + 8100 Kcal (Reac. COMPLETA) C + ½ O2 → CO + 2500 Kcal (Reac. INCOMPLETA)

Q = 5600 Kcal Esto significa que si un combustible reacciona en forma incompleta en una combustión, se puede perder hasta el 70 % del calor que es capaz de entregar dicho combustible de reaccionar en forma completa. • Hidrocarburos (combustibles líquidos y gaseosos) En general, para un hidrocarburo Cm Hn (donde m y n significan la cantidad de átomos de carbono e hidrógeno que hay en la molécula de hidrocarburo) la reacción de combustión es la siguiente:

Cm Hn + (m + ¼ n) O2 → m CO2 + ½ n H2O + Q (Kcal) 8.4 Puesta a punto de la combustión La “puesta a punto de la combustión” se realiza en todas las operaciones industriales en las que tienen lugar procesos térmicos, hornos industriales, calderas, etc. El objeto de la misma consiste en obtener del combustible utilizado el mejor rendimiento económico, es decir no desperdiciar el combustible utilizado. La “puesta a punto de la combustión” es independiente del tipo de proceso realizado en el horno y de la temperatura requerida, se hace siempre con un objetivo económico, el de no malgastar combustible. Ya hemos señalado que en la práctica industrial la combustión perfecta no se puede lograr, pero sí se puede producir la combustión completa, en la cual todo el carbono del combustible reacciona a dióxido de carbono con el oxígeno del comburente (generalmente aire) y entrega todas las calorías que es capaz de entregar. Para que ello ocurra, en la combustión completa, es necesario agregar una cantidad mayor de comburente (oxígeno) que el requerido estequiométricamente (teórico), ese exceso es el denominado “exceso de aire”. EXCESO DE AIRE (e): es la cantidad de aire en exceso, sobre el estequiométrico, necesario para producir una combustión completa. Generalmente se mide en porciento en volumen:


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Ahora bien, para que en un proceso térmico en un horno, un combustible entregue el máximo de calorías que puede entregar, se debe agregar un exceso de aire, pero si el exceso de aire es agregado es muy grande, el volumen de gases a calentarse en el horno es también grande, y por consiguiente la temperatura disminuye. Por esto es necesario llegar a una solución de compromiso, que consiste en lograr que el combustible entregue todas las calorías posibles, pero al mismo tiempo que el exceso de aire no sea demasiado grande como para que disminuya la temperatura en el horno. Para conseguir esto se pone a punto la combustión. 8.4.1 Condiciones que deben cumplirse en los gases de combustión para lograr la

“puesta a punto de la combustión” Si quemamos por ejemplo un hidrocarburo (combustible) con aire (comburente), se pueden producir las reacciones que se detallan a continuación:

SUSTANCIAS REACCIONANTES PRODUCTOS DE LA REACCIÓN C HIDROCARBURO CO2 H CO H2O O2 AIRE O2 N2 N2 Como podemos observar, el carbono del combustible puede dar CO2 y CO, el hidrógeno del combustible da vapor de agua, parte del oxígeno (exceso de aire) pasa como oxígeno molecular y el gas nitrógeno, que es inerte a las temperaturas de combustión queda igual una vez producida la reacción.

e (%) = AIRE REAL – AIRE ESTEQUIOMÉTRICO x 100 AIRE ESTEQUIOMÉTRICO


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Para la puesta a punto de la combustión, las condiciones que deben cumplir los gases de combustión son dos: 1) que el porcentaje de CO tienda a 0 y 2) que el exceso de aire sea menor o igual al 30 %. Cuando ambas se cumplen, diremos que la combustión está a punto. (donde CO % → 0 significa < 0,5 %) Seguidamente, a título de ejemplo, se dan datos técnicos de pruebas reales en una planta piloto, donde se calentó agua en diversas condiciones en una caldera. MALA COMBUSTIÓN BUENA COMBUSTIÓN Agua calentada (litros/hora) 450 450 Aumento temperatura (ºC) 17 17 Exceso de aire (%) 150 30 Combustible usado (kg/hora) 1,815 1,590 Como puede observarse, para igual trabajo térmico, aumentar en 17 ºC, 450 litros/hora de agua, en el caso de una buena combustión (e % = 30 %) se consumieron 1,590 kg/hora de combustible, mientras que para un e % = 150 %, se consumió 1,815 kg/hora es decir el 14 % más de combustible. 8.5 Análisis de los gases de combustión Para analizar los gases de combustión se puede utilizar el aparato de Orsat, el que permite determinar los porcentajes de CO2, CO, O2 y N2 que contienen dichos gases y posteriormente, mediante la utilización del diagrama de OSTWALD, que se explica en el siguiente punto se puede obtener el exceso de aire y determinar si la combustión se encuentra a punto o no. El aparato citado (ver figura N º 1) cuenta con una bureta graduada, que generalmente tiene un volumen de 100 cm3 a efectos de dar resultados en porciento. Dicha bureta está cerrada en la parte superior por una llave de tres vías, que la conecta con: un tubo capilar, para conducir los gases hasta tres (o más) vasos (o laboratorios); un tubo por el que penetrarán los gases a analizar (que se extraen de la chimenea del horno); y un tercer tubo que la conecta con el exterior. En la parte inferior la bureta está cerrada por un cierre hidráulico, formado por un tubo flexible unido a un vaso que contiene agua ligeramente acidulada (para evitar absorber CO2 de los gases de combustión). La bureta se encuentra rodeada de una camisa refrigerante por la que circula agua de refrigeración, con el objeto de enfriar los gases a analizar y condensar el vapor de agua de los mismos, que se incorpora al agua acidulada. La determinación se hace con gases secos (libres de vapor de agua). Los vasos o laboratorios contienen soluciones absorbedoras de gases, el primero contiene una solución de hidróxido de calcio, absorbedor de CO2; el segundo solución de pirogalato de sodio o potasio, absorbedor de oxígeno y el tercero solución de cloruro cuproso amoniacal, absorbedor de CO. Cada laboratorio cuenta con una llave de paso.

CO % 0 e % < 30 %


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8.5.1 Determinación de los gases El primer paso consiste en conectar la llave de tres vías con el exterior y elevar el vaso con agua acidulada hasta que el nivel de ésta coincida con el enrase superior de la bureta. El agua acidulada, por el principio de vasos comunicantes, ingresará a la bureta y su nivel coincidirá con el nivel del agua acidulada en el vaso; así se logran desplazar los gases existentes en la bureta de determinaciones anteriores. Luego se conecta la llave de tres vías con el tubo que une a la llave con la toma de muestras, se baja el vaso (con agua acidulada) hasta hacer coincidir su nivel con el cero de la bureta, en la parte inferior. Ello provocará un vacío en la bureta que hará ingresar los gases a analizar. Esta operación se repite 2 ó 3 veces con el objeto de que se vaya completando el volumen de la bureta con gases (ya que el valor de agua se va enfriando, licuando e incorporando al agua acidulada). Finalmente se cierra la llave de tres vías y en la bureta tendremos 100 cm3 de gases secos. Estos gases contendrán CO2, CO, O2 y N2 (ver 3.1). (También podrían contener SO2, si el combustible contiene azufre, para lo cual habría que agregar un laboratorio más). Luego se conecta con la llave de tres vías la bureta con el tubo capilar que la conecta con los tres laboratorios y se abre la llave del primer laboratorio. Se levanta el vaso (que contiene el agua acidulada) hasta que su nivel coincida con el enrase superior de la bureta, el agua acidulada desplaza los gases de la bureta que se dirigen al primer laboratorio, donde es absorbido el CO2. Se baja nuevamente el vaso hasta que el nivel del agua acidulada coincida con un nuevo enrase en la bureta (ya no será el cero, pues un volumen de CO2 fue absorbido en el primer laboratorio), se observa a que volumen corresponde (ahora ocupado en la bureta con agua acidulada) y ese será el contenido de CO2 en los gases. Al tener 100 cm3 la bureta, el valor resultante será en porciento en volumen. Se cierra la llave del primer laboratorio. Se procede análogamente con los gases pasándolos en forma sucesiva al segundo y tercer laboratorio y se determinan los porcentajes de oxígeno y CO. El gas que al final queda sin absorber será nitrógeno. La conexión de la bureta y los laboratorios se hace mediante un tubo capilar con el objeto de evitar errores volumétricos en las determinaciones.


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N º 1

ESQUEMA DE APARATO DE ORSAT. FIGURA 1 8.6 Diagrama de Ostwald Determinados los porcentajes de los distintos gases presentes en la combustión es posible determinar el exceso de aire (e %) mediante la utilización del diagrama de Ostwald. Este diagrama vincula, en los gases de combustión los porcentajes correspondientes a CO2, CO, O2 y exceso de aire. En la figura N º 2 se da el diagrama de Ostwald para el fuel oil. FIGURA N º 2

Fig. 1


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8.7 Equipos industriales para quemar combustibles. (Quemadores) Existen en la industria distintos tipos y modelos de quemadores, pero con el objeto de tener una idea de los mismos sólo se van a explicar, seguidamente, tres tipos de ellos, un quemador de combustible líquido, uno de combustible gaseoso y otro de combustible sólido. 8.7.1 Quemador de combustible líquido Se ha elegido, para su explicación, un quemador de combustibles líquidos de baja presión tipo HAWCK – VENTURI (Ver figura N º 3).

FIGURA N º 3


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Este quemador cuenta con tres tubos concéntricos. Por el interno circula el combustible líquido, que proviene de un tanque ligeramente elevado, que le da la presión hidrostática necesaria para circular. Previamente a ingresar el combustible al tubo interno pasa a través de una llave reguladora de caudal. Entre el tubo interno y el intermedio circula una corriente de aire que lo hace describiendo un movimiento helicoidal, merced a la disposición de la abertura de entrada de aire al tubo. Esta vena de aire se la denomina aire primario. Entre el tubo intermedio y el externo circula otra vena de aire que circula en la dirección del eje del tubo, se la denomina aire secundario. El aire primario y el secundario son impulsados por un ventilador centrífugo, pasando, antes de entrar al quemador por una llave mariposa que regula el caudal total de aire (primario más secundario) que ingresa al quemador y se bifurca en dos corrientes, la del aire primario y la del secundario. En la parte posterior del quemador se encuentra una pieza, que trabaja como una tuerca y que permite regular la relación de aire primario y secundario, para un mismo caudal de aire total. El combustible líquido proveniente del tanque pasa por la llave de regulación de caudal y circula por el tubo interno hasta el extremo del mismo donde encuentra pequeños orificios y sale en pequeñas gotas. Allí encuentra el aire primario el que circula entre el tubo intermedio y el interno. En coincidencia con la salida del combustible el tubo intermedio presenta un estrechamiento, lo que produce en la vena de aire un efecto Venturi (disminución de presión y aumento de velocidad). Este efecto hace que se expandan las gotas de combustible líquido (y se atomicen), el movimiento helicoidal del aire permite establecer una mezcla íntima de combustible - aire primario. Esta mezcla continúa hacia el extremo del aparato donde se mezcla nuevamente con el aire secundario. El aire primario y el secundario sirven como comburentes en la combustión que se produce, pero la principal misión del aire primario es mecánico ya que logra atomizar el combustible y hacer la mezcla íntima aire - combustible. La regulación del quemador se hace con la llave mariposa reguladora del caudal total de aire que circula por el aparato.


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La pieza (especie de tuerca) que se encuentra en la parte posterior del aparato puede regular la relación aire primario - aire secundario y con ello la longitud de la llama. La tuerca, se puede suponer vinculada al tubo más externo, y según se gire hacia uno u otro lado hace alejar la punta del tubo externo del intermedio o acercarla; con ello se logra que se agrande o achique la sección de salida del aire secundario. Cuando se agranda el aire total ingresado al quemador se derivará más al secundario y cuando se achica se derivará más al primario. Así se regula la relación aire primario - secundario y la longitud de la llama. 8.7.2 Quemador de combustible gaseoso El ejemplo más simple quemador de combustible gaseoso y que todos conocemos es el mechero BUNSEN que se usa en Química. Un quemador de combustibles gaseosos del tipo industrial es similar (ver figura N º 4) FIGURA N º 4

Consta de un tubo, una llave de gas, inyector y orificios regulables para la entrada de aire. En este quemador el aire no cumple funciones de atomizar o mezclar íntimamente el aire - combustible ya que los gases forman en cualquier proporción siempre soluciones (sistemas homogéneos). El tubo en su extremo cuenta con una boquilla, unida al tubo mediante bridas. Esta boquilla es fácilmente intercambiable, cuando se deteriora por el calor de la llama. El gas combustible penetra al tubo y pasa a través de la llave con la que se puede regular el caudal, luego pasa por el inyector y al salir de éste encuentra al aire que ingresa perpendicularmente al eje del tubo y se mezcla con el combustible. La solución gas – aire circula por el tubo hasta la boquilla del quemador donde se produce la llama. 8.7.3 Quemador de combustible sólido El quemador de combustible sólido se basa en utilizar carbón pulverizado a tamaños menores o iguales a 0,1 mm, los que son impulsados al quemador en suspensión por una corriente de aire (aire primario) a una velocidad que se encuentra entre 10 y 20 metros por segundo. El aire secundario es soplado y enviado al quemador por conducto separado y se mezcla con la suspensión aire - combustible al ingresar al quemador, donde se produce la llama (ver figura N º 5).


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FIGURA N º5


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