clase vi combustion

7/25/2019 Clase VI Combustion

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Introduccin

En un sistema trmico como la caldera, el proceso mediante el cual

se libera la energa qumica contenida en el combustible, la cual por

transferencia de calor llega al agua para ser transformado en vapor,

se denomina combustin.

Combustin puede definirse como un proceso qumico, en el cual un

agente oxidante (bsicamente oxgeno del aire) reacciona con un

combustible para liberar su energa qumica almacenada,

principalmente en forma de gases a alta temperatura .

Para que una mezcla aire/combustible pueda iniciar combustin, se

le debe suministrar energa externa hasta que la masa alcance su

temperatura de ignicin, la cual depende del tipo de combustible

empleado.


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Leyes fundamentales de la combustin

Conservacin de la masa

Conservacin de la energa

Ley de gases ideales

Ley de Avogadro

Ley de Dalton

Ley de Amagat


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Principales reacciones de combustin


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Aire para la combustin

Para la casi totalidad de procesos de combustin en calderas y hornos, el aire es la fuente de

suministro de oxgeno, el cual incluye tambin nitrgeno, vapor de agua y una fraccin muy

pequea de gases inertes como argn, nen y helio.

Dependiendo de la cantidad de aire suministrado podemos tener:

Combustin completa: la cantidad de aire que interviene en al reaccin es justamente la determinada por

balance estequiomtrico

Combustin incompleta: la cantidad de aire que interviene en la combustin es menor a la requerida.

Composicin del aire:

Los datos de composicin del aire por volumen y por peso, son importantes en las aplicaciones

prcticas de los procesos de combustin. A continuacin se detallan los datos de composicin del

aire:


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Elementos de la Caldera involucrados en la

combustin de combustible slido (carbn)


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El Combustible

Responsable de suministrar la energa qumica requerida para producir el

calor en la caldera, existe gran diversidad disponible :

Carbn Aceite ( 16 ) gasolina

Gas ( natural - propano

acetileno ) bagazo Biocombustibles Residuos industriales Madera Otros

Cada combustible en sus caractersticas qumicas incluye una nica relacin C H, la cual especifica la cantidad de aire requerida para su combustin, amayor concentracin de Cmayor ser el aire demandado.


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Caractersticas tcnicas del combustible

Composicin qumica elemental: indica el contenido

porcentual de cada uno de los elementos qumicos

principales presentes en el combustible, como

carbono (C), hidrgeno (H), oxgeno (O), nitrgeno

(N), Contenido de humedad (W) y contenido de

ceniza (A). La composicin qumica anterior se

denomina en base hmeda, aunque se puede

expresar en base seca, esto es descontando la

humedad del total de la muestra.

Composicin tcnica aproximada: es la composicin

porcentual entre carbn voltil el cual indica el

potencial de formacin de productos en fase gaseosa,

carbn fijo que habla del potencial de formacin de

productos en fase slida, humedad y cenizas del

combustible a emplear.


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Caractersticas tcnicas del combustible

Poder calorfico: Es la cantidad de calor que se desprende del combustible durante la combustin

completa de una unidad de masa del mismo. Este valor puede ser expresado como poder

calorfico superior en el cual se considera que el agua formada durante el proceso de combustin

se condensa, por lo tanto se libera el calor latente y el valor es mayor al del poder calorfico

inferior en el cual no se considera el suceso de condensacin del agua formada durante la

combustin.

Granulometra: caracteriza la distribucin de las partculas del combustible a emplear. Se

determina por medio de tamices estandarizados. Si un combustible se presenta con tamaos de

partcula muy pequeos, se pueden producir arrastres hacia zonas no deseables, esto es fuera del

hogar, ocasionando problemas de inquemados o combustin en zonas de recuperacin de calor

no preparadas para este efecto. Este problema se puede mejorar con un diseo adecuado de los

perfiles de velocidad al interior del hogar.


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Caractersticas del combustibles

La cantidad de energa liberada en la combustin es una constante caracterstica de cadacombustible, conocida como poder calorfico,

Gases BTU/ft3( kj/m3) lquidos BTU/gln( kj/l) slidos BTU/lb ( kj/kg).

Los valores se referencian a una temperatura, usualmente 15.6, 20 25C( 60, 68 77F).

Poder calorfico superior( PCSHHVHCV- GCV)

Expresa la cantidad de calor asumiendo la recuperacin de la energa contenida en elvapor de agua de los gases combustin.

Poder calorfico inferior ( PCILHVLCVNCV ) Expresa la cantidad de calor excluyendo la energa contenida en el vapor de agua de los

gases combustin.

En general cada combustible tiene sus valores con ligeras variaciones dependiendo delsitio de origen

SCPC 000,48

O

-H62,000600,14

Dulong


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Determinacin del Poder Calorfico del Bagazo

El Poder calorficodepende de la composicin elemental (contenido de carbono,

hidrgeno, oxgeno), del contenido de cenizas(tierra y materia extraa mineral) yde la humedad.

s))*(50.9-z)*(222-w)*(237-(21200PCS

Donde:s: Sacarosa % Bagazo.w: Humedad % Bagazo.z: Ceniza % Bagazo. Efecto de la ceniza y la humedad en el

poder calorfco del bagazo

4000

5000

6000

7000

8000

9000

10000

40 42 44 46 48 50 52 54 56 58 60

Humedad (%)

PoderCalorfico

Superior(kj/kg)

5 % de cenizas 10 % de cenizas 15 % de cenizas

Lo mejor es un bajocontenido de cenizas yde humedad


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Valores de poder calorfico de diferentes

combustibles

Kerosene 134.000 Btu / galn

Diesel 138.000 Btu / galn

Fuel oil 150.000 Btu / galn

Crudo 152.000 Btu / galn

Carbon 24.200 Btu / Kg

Bagazo 18.670 Btu / Kg

Madera 19.660 Btu / Kg

Gas natural 35.315 Btu / m3

Gas propano 92.000 Btu / m3

COMBUSTIBLE PODER CALORIFICO


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SEYLER%C, %H, %MV, HHV,

IH

HUMEDAD

M.V.

C.FIJO

CENIZA

C

H

O

N

S

CENIZAHUMEDAD

A.PROX A. ULT.

ASTM1)ANTRACITAS(GRUPOS I,II,IIII)

CF ENTRE 82% Y 98 %

2)BITUMINOSOSCF ENTRE 69% 86%

3)SUB-BITUMINOSOS Y

LIGNITOSSE CLASIFICAN SEGN SU PODER CALORIFICO

USBM (US BUREAUOF MINES) CF/MM

ANTRACITA 10 -60

SEMIANTRACITA 610

SEMIBITUMINOSO 36

BITUMINOSO 0.5 - 3

LEA 50TURBA 52-60LIGNITO 55-65HULLA 75-80H. BITUM 65-85ANTRACITA 75-95

CF

FORMULA DE DULONG:

HHV = 14.600 + 62.000 (H0/8) + 4.050 S Btu/lb

CENIZA HUMEDAD

Caractersticas del carbn como combustible en

Calderas


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Caractersticas de algunos combustibles


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Ecuacin bsica de combustin de biomasa

(bagazo)

HumosAireBagazoNOHCONOOHC )(07.5)(85.076.335.1

222227.1

Condicin estequiomtrica (combustin completa)

Condicin con exceso de aire (combustin incompleta)

HumosAireBagazo NOOHCOCONOOHC )(6.6)(41.0)(85.099.0)(0008.076.376.1 2222227.1

Exceso de aire: 1.76/ 1.35 =1.3 = 30%


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Determinacin de los productos de la combustin

El proceso de combustin completo forma dixido de carbono (CO2), dixido de azufre (SO2) y vapor de agua

(H2O). Los gases que escapan por la chimenea tambin contienen nitrgeno (N2), oxgeno (O2) y monxido de

carbono (CO). El peso de cada uno de estos gases de combustin, basados en la combustin de 1 lb (Kg) de

combustible, se pueden calcular as:

CO = 56/24 * (1-Y) * C

O2 = 0.232 * X * Wa + 1.33 * (1-Y) * C

N2 = 0.768 * (1+X) * Wa + N

H2O = 36/4 * H + W + WAV

SO2 = 64/32 * S

Donde:

CO2, CO, O2, N2, SO2, H2O = lbs de gases / lb de combustible

(Kg de gases / Kg de combustible)

C, H, S, N = Elementos del combustible en lb/lb (Kg/Kg de

combustible)

X = Exceso de aire

Y = Relacin del C oxidado a CO2

Wa = Aire terico en lb/lb (Kg/Kg) de carbn

W = Humedad en el combustible en lb/lb (Kg/Kg) carbn

WAV = Vapor de agua en el aire, lb/WA lb de aire (Kg/WA Kg)

Si (WA) representa el peso real de airesuministrado, entonces:

Exceso de aire X(%) = ((WA Wa)/WA)* 100


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Ejemplo 1: Determinacin de la cantidad de aire

Dado el siguiente anlisis ltimo de un carbn: C = 75; O = 7.0; S = 3.5; Humedad = 9; H = 4.5; N = 1.0

Determine:

a. Aire terico requerido por unidad de masa de carbn

b. Volumen de aire, si la combustin exige un 30% de

exceso de aire y este se suministra a 60F (15.6C) y 14.7Psia (1.01 Bar)


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Eficiencia trmica de una caldera

Mtodo directo: relaciona la energa del vapor producido y la energa del combustible

invertido en la produccin del vapor.

)(*

)(*

combcomb

aguavaporvapor

PCM

HHM

Mtodo indirecto:Se expresa como los porcentajes de energa prdida, tomando referencia la

energa que entra en el bagazo. En el mtodo indirecto se hace necesario medir la composicinde los gases de combustin a fin de determinar las prdidas de calor de la combustin del

bagazo por exceso de oxgeno y formacin de monxido de carbono, entre otros.

1. Humedad por combustin: Hidrgeno presente en el combustible que forma agua durante la

combustin.

2. Humedad en el combustible: Agua en el combustible.

3. Calor en los gases secos: corresponde al calor sensible de los gases secos producto de lacombustin.

4. Radiacin y conveccin: Perdidas de calor con el medio ambiente externo

5. Inquemados: se relaciona con el calor que se deja de generar por la presencia de material

combustible en los residuos de la combustin.

6. Indeterminadas.

7. Prdidas de calor en las purgas de vapor

%%100 PrdidasCaldera


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Norma ASME PTC 4 1 para evaluacin de la eficiencia de calderas


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Norma ASME- PTC 4.1 para evaluacin de la eficiencia de calderas

La ASME (American Society of Mechanical Engineers) formul desde 1964 la norma PTC (Power

Test Codes) 4.1, la cual trata principalmente, los mtodos para determinar la eficiencia y

capacidad de unidades generadoras de vapor. En esta norma se tratan los mtodos directo e

indirecto para determinar la eficiencia de una caldera. Se realizan recomendaciones acerca del

error admisible en el proceso de adquisicin de los datos y la metodologa de evaluacin de la

caldera. Finalmente se proponen las ecuaciones de clculo para determinar la eficiencia trmicade la caldera.


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Medicin de eficiencia por mtodoindirecto en la caldera de un ingenio

El valor promedio de la eficiencia trmica

de la caldera 7, empleando los datos del

PCS del Ingenio y Externos fueron de

64.3%y de 66.5%, respectivamente.


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EFICIENCIA DE CALDERA MPLEANDO CARBN


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Ejemplo 2: Clculo de la eficienciatrmica de la caldera del ingenio

Determine la eficiencia trmica de la caldera del ingenio, si la

produccin de vapor es de 280000 lb/h a una presin de 400 psiyuna temperatura de 390Cy el bagazo empleado en la caldera tieneuna humedad del 50%, un contenido de sacarosa del 1.8%y un

contenido de cenizas del 5%. Adems se ha estimado unrendimiento promedio de la caldera de 1.8lb de vapor por libre debagazo.

Cmo se afecta el consumo de bagazo, si para mantener la mismaeficiencia de la caldera, se incrementa la humedad del bagazo a

53%y el contenido de cenizas a el 10%? Realice una curva desensibilidad.


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CONTROL DE PRDIDAS DE EFICIENCIADE CALDERA

PRDIDAS EN CHIMENEA.

LA TEMPERATURA DE CHIMENEA ES LA TEMPERATURA DE LOS GASES DE COMBUSTIN(SECOS +VAPOR DE AGUA)SALIENDO DE LA CALDERA. UN BUEN DISEO REMUEVE TANTOCALOR COMO LE SEA POSIBLE DE LOS GASES, UNA BAJA TEMPERATURA REPRESENTA UNAALTA TRANSFERENCIA Y BAJAS PRDIDAS.

LA TEMPERATURA REFLEJA LA ENERGA QUE NO FUE TRANSFERIDA DEL COMBUSTIBLE HACIAEL VAPOR.

LAS PRDIDAS EN CHIMENEA REPRESENTAN EL CALOR QUE SE LLEVAN LOS GASES SECOS (CALOR DESAPROVECHADO ) Y LAS PRDIDAS POR HUMEDAD ( PRODUCTO DE COMBUSTIN),BASADAS EN EL COMBUSTIBLE UTILIZADO, HUMEDAD DEL AIRE DE COMBUSTIN, etc.

EXCESO DE AIRE.

ADEMAS DE CERTIFICAR OPERACIN SEGURA, UN EXCESO > TPICO SIGNIFICA AIREABSORVIENDO CALOR EN LUGAR DE TRANSFERIRSE COMO ENERGA TIL AL VAPOR,

INCREMENTANDO LAS PRDIDAS EN CHIMENEA.


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CONTROL DE PRDIDAS DE EFICIENCIA DE CALDERA

PRDIDAS POR RADIACIN & CONVECCIN.STAS PRDIDAS DEPENDEN DEL TIPO DE CALDERA, TAMAO Y PRESIN DE OPERACIN.

USUALMENTE SE CONSIDERAN CONSTANTES, PERO SE ELEVAN CUANDO SE TRABAJA ENBAJAS RATAS DE COMBUSTIN.


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OPTIMIZACINDEEFICIENCIA

APROVECHAMIENTO GASES DE CHIMENEA.LOS GASES GENERALMENTE SALEN ENTRE 450 ~ 650F, LA IDEA ES EXTRAERSTE CALOR ANTES DE EXHOSTARLO A LA ATMSFERA.


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AJUSTE EXCESO DE AIRE


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CONTROL DE BLOWDOWN (PURGAS DE VAPOR)

DADO EL IMPACTO QUE TIENE EL BLOWDOWN SOBRE LA EFICIENCIAGENERAL, ES CRTICO DETERMINAR SU FRECUENCIA Y CANTIDAD, LACUAL PUEDE VARIAR ENTRE 1 ~ 25 % DEL AGUA DE ALIMENTACIN.

HAY 2 TIPOS DE BLOWDOWN, INTERMITENTE & CONTINUO.


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DES-AIREACIN DEL AGUA DE ALIMENTACIN.UN DESAIREADOR ES UN TANQUE UBICADO EN EL PUNTO MS ALTO DEL REA DECALDERAS, DONDE SE ACONDICIONA EL AGUA DE ALIMENTACIN CON LOSSIGUIENTES OBJETIVOS:

REMOVER O2, CO2Y DEMS GASES NO CONDENSABLESELEVAR LA TEMPERATURA >= 212F

EL PRIMER TEM ES VITAL PARA LA PROTECCIN DE LA INTEGRIDAD DE LA TUBERADE LA CALDERA CONTRA LA CORROSIN, EN ALGUNOS CASOS SE APOYA ENPRODUCTOS QUMICOS PARA LOGRAR SU OBJETIVO.

EL SEGUNDO TEM, IMPACTA DIRECTAMENTE LA EFICIENCIA DE LA UNIDAD.

SU LOCALIZACIN TIENE POR FINALIDAD CREAR UNA CABEZA DE PRESIN SOBRELAS BOMBAS DE AGUA DE ALIMENTACIN QUE SE ENCUENTRAN DEBAJO DE L, LOQUE ASEGURA QUE NICAMENTE AGUA EN VEZ DE VAPOR SE SUMINSTRAR A LABOMBA PARA SU INYECCIN AL INTERIOR DE LA CALDERA.


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DES-AIREACIN DEL AGUA DE ALIMENTACIN.


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UN DEA TK TRABAJA CON VAPOR A BAJA PRESIN.

TRAY TYPE DEA TK

SPRAY TYPE DEA TK
http://www.energysolutionscenter.org/BoilerBurner/Images/Deaerator_Spray2.jpg


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TYPICAL BOILER FEEDWATER TREATMENT FLOW


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RECUPERACIN DE CONDENSADOS.

EL CONDENSADO AUNQUE REDUCE LA CALIDAD DEL VAPOR, CONSERVA HASTA UN 20% DE LAENERGA REQUERIDA PARA GENERARLO.

MAXIMIZAR SU REINGRESO A LA CALDERA, SIGNIFICA UN AHORRO TANTO EN ENERGA COMOEN TRATAMIENTO QUMICO DEL AGUA.

Generation

Distribution

Heat

Transfer

Condensate Return


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RECUPERACIN DE CONDENSADOS.

SE DEBE IMPLEMENTAR ADECUADOS SISTEMAS DE RECUPERACIN DE CONDENSADO EN CADAPUNTO DONDE SE UTILICE VAPOR Y DONDE EXISTAN LARGOS TRAMOS Y/O CAMBIOS DEPLANO DE TUBERA.


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RECUPERACIN DE CONDENSADOS - ERRORES.


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AISLAMIENTO DE SUPERFICIES.

POR NORMA GENERAL CUALQUIER SUPERFICIE ( CALDERA, LNEA DE VAPOR, LNEA DERETORNO, ACCESORIO, etc.) CON TEMPERATURA SUPERIOR A 120F DEBE ESTAR AISLADOTRMICAMENTE.

EL AISLAMIENTO TPICAMENTE REDUCE LAS PRDIDAS DE ENERGA EN UN 90%, AYUDA ACONSERVAR LA PRESIN DEL SISTEMA Y PROTEGE LA INTEGRIDAD DEL PERSONAL, PERO

EXCEPCIONALMENTE CADA VEZ QUE SE REMUEVE O DETERIORA, ES REPARADO,COMPROMETIENDO SU OBJETIVO.

.


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AISLAMIENTO DE SUPERFICIES.


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OPTIMIZACIN DE EFICIENCIA

REDUCCIN DE ESCAPES.

EL VAPOR SE DEBE CONSIDERAR COMO UNA MERCANCA DE ALTO VALOR, QUE ENTRE A MSALTA PRESIN SE ENCUENTRE, MYOR SER SU COTIZACIN. POR ELLO ANTE EL MSMNIMO ESCAPE SE DEBE REACCIONAR PRONTAMENTE PARA EVITAR SU DESPERDICIO.


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RESMEN EFICIENCIA

PLAN DE OPORTUNIDADES EN INCREMENTO DE EFICIENCIA.

INSPECCIN RUTINARIA DE FUGAS DE VAPOR (TRAMPAS, ACC, etc.).INSPECCIN RUTINARIA POSIBLES INFILTRACIONES DE AIRE ALINTERIOR DE LA CALDERA.INSPECCIN RUTINARIA SISTEMA RECUPERACIN CONDENSADOS.INSPECCIN RUTINARIA DEL AISLAMIENTO TRMICO DE LOSEQUIPOS.

EFECTUAR BLOWDOWNS INTERMITENTES SOLO CUANDO ELANLISIS QUMICO Y/OEL PERSONAL CALIFICADO LO INDIQUE.REALIZAR MEDICIONES PERIDICAS DE GASES PARA VERIFICARDESEMPEO DE LA COMBUSTIN.IMPLEMENTAR SISTEMA DE BLOWDOWN CONTNUO AUTOMTICO.IMPLEMENTAR UN ESTRICTO CONTROL QUMICO DE AGUA.IMPLEMENTAR SISTEMAS DE COMBUSTIN CON ALTO TURNDOWN.IMPLEMENTAR SISTEMA AUTOMTICO DE CORRECCIN DE O2.IMPLEMENTAR SISTEMAS DE RECUPERACIN DE TEMPERATURADE GASES DE CHIMENEA.IMPLEMENTAR INSTRUMENTOS DE MEDICIN DE COMBUSTIBLE,

AGUA, VAPOR, etc.


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VARIABLE CONTROLADA

-Presin de vapor-Nivel del domo de vapor-Temperatura del vapor-El tiro del hogar (Presin hogar)

-Exceso de O2 en los gases de salida-El % de inquemados en hollines y cenizas-La temperatura de los gases

-Contaminantes en los gases de chimenea-Espesor de combustible en la parrilla

QUE SE CONTROLA EN UNA CALDERA

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