COMBUSTIÓNCOMBUSTIÓN

Definimos la combustión como una reacción química de Definimos la combustión como una reacción química de oxidación fuertemente exotérmica.oxidación fuertemente exotérmica.

Se denomina reacción exotérmica a cualquier reacción Se denomina reacción exotérmica a cualquier reacción química que desprenda energía, ya sea como luz o calorquímica que desprenda energía, ya sea como luz o calor

Otro ejemplo exotérmico es la condensación y la Otro ejemplo exotérmico es la condensación y la solidificación.solidificación.

Implica la presencia de un combustible (elemento que se oxida), de un comburente (elemento oxidante) y calor.

En toda combustión existe un elemento que arde En toda combustión existe un elemento que arde (combustible) y otro que produce la combustión (combustible) y otro que produce la combustión (comburente), este elemento es generalmente el (comburente), este elemento es generalmente el oxígeno en forma de Ooxígeno en forma de O22 gaseoso. gaseoso.

Las sustancias explosivas tienen oxígeno ligado Las sustancias explosivas tienen oxígeno ligado químicamente, por lo que no necesitan el oxígeno del aire químicamente, por lo que no necesitan el oxígeno del aire para realizar la combustión.para realizar la combustión.

Podemos definir a una sustancia comburente como aquella Podemos definir a una sustancia comburente como aquella que en ciertas condiciones de presión y temperatura, que en ciertas condiciones de presión y temperatura, puede combinarse con un combustible, provocando la puede combinarse con un combustible, provocando la combustión y que actúa oxidando al combustible y combustión y que actúa oxidando al combustible y reduciéndose en si mismoreduciéndose en si mismo

Para que la reacción comience es necesario un aporte Para que la reacción comience es necesario un aporte energético inicial y que se mantengan ciertas condiciones energético inicial y que se mantengan ciertas condiciones para que sea una reacción auto-sostenible.para que sea una reacción auto-sostenible.

Se denomina punto de ignición o punto de inflamación de una materia combustible al conjunto de inflamación de una materia combustible al conjunto de condiciones físicas (presión y temperatura) necesarias condiciones físicas (presión y temperatura) necesarias para que la sustancia empiece a arder y se mantenga la para que la sustancia empiece a arder y se mantenga la llama sin necesidad de añadir calor exterior.llama sin necesidad de añadir calor exterior.

Es el valor de temperatura que debe presentar el sistema fisicoquímico para que se pueda dar la combustión de manera natural.

La temperatura de inflamación, es la temperatura más baja a la cual el material inicia la combustión para seguir ardiendo

Es decir que necesitamos:Es decir que necesitamos:

-Una chispa o un pequeño arco eléctrico o una llama de -Una chispa o un pequeño arco eléctrico o una llama de poca intensidad, para comenzar el proceso.poca intensidad, para comenzar el proceso.

-Que el combustible y el comburente tengan el contacto -Que el combustible y el comburente tengan el contacto más íntimo posible.más íntimo posible.

-Que el recinto donde se lleva a cabo la combustión -Que el recinto donde se lleva a cabo la combustión (hogar) se mantenga a una temperatura apropiada durante (hogar) se mantenga a una temperatura apropiada durante todo el proceso.todo el proceso.

-Que se mantengan dentro del recinto el tiempo suficiente -Que se mantengan dentro del recinto el tiempo suficiente para que reaccionen todas las partículas de combustible.para que reaccionen todas las partículas de combustible.

Las reacciones de oxidación elementales con liberación Las reacciones de oxidación elementales con liberación importante de calor, son las siguientes:importante de calor, son las siguientes:

Vemos entonces que las sustancias combustibles deben Vemos entonces que las sustancias combustibles deben ser ricas en Carbono e Hidrógeno.ser ricas en Carbono e Hidrógeno.

En cuanto al contenido de Azufre, si bien sería favorable En cuanto al contenido de Azufre, si bien sería favorable por su gran liberación de calor, es muy inconveniente ya por su gran liberación de calor, es muy inconveniente ya que el SO2 (dióxido de azufre) se combina con el H2O, que el SO2 (dióxido de azufre) se combina con el H2O, producto de la oxidación de los Hidrógenos del producto de la oxidación de los Hidrógenos del combustible, dando lugar a la formación de H2SO4 (ácido combustible, dando lugar a la formación de H2SO4 (ácido sulfúrico), el cual es altamente corrosivo. sulfúrico), el cual es altamente corrosivo.

En cuanto al oxígeno como comburente, en calderas lo En cuanto al oxígeno como comburente, en calderas lo más común es utilizar el oxígeno contenido en el aire.más común es utilizar el oxígeno contenido en el aire.

A los efectos de la combustión se supone el aire formado A los efectos de la combustión se supone el aire formado solamente por oxígeno y nitrógeno.solamente por oxígeno y nitrógeno.

Composición en peso: 23% O2 77% N2Composición en peso: 23% O2 77% N2

Composición en volumen: 21% O2 79% N2Composición en volumen: 21% O2 79% N2

Relación moles N2/molesO2= 79/21 = 3.76Relación moles N2/molesO2= 79/21 = 3.76

Los distintos tipos de combustiones que se dan son:Los distintos tipos de combustiones que se dan son:

a) Combustión ideal a) Combustión ideal (también llamada estequiométrica).(también llamada estequiométrica).

Es aquella en que tenemos la cantidad exacta de Es aquella en que tenemos la cantidad exacta de comburente para oxidar todas las partículas combustibles. comburente para oxidar todas las partículas combustibles.

No falta ni sobra oxígeno y se oxidan todos los carbonos, No falta ni sobra oxígeno y se oxidan todos los carbonos, hidrógenos y nitrógenos.hidrógenos y nitrógenos.

Irrealizable en la práctica y se toma como base de Irrealizable en la práctica y se toma como base de referencia para las clases reales de combustión.referencia para las clases reales de combustión.

Por ejemplo en este caso para un hidrocarburo CnHm, los Por ejemplo en este caso para un hidrocarburo CnHm, los productos de combustión serían:productos de combustión serían:

CnHm + mínimo de aire = CO2 + H2O + N2CnHm + mínimo de aire = CO2 + H2O + N2

Como los productos de combustión no contienen CO ni Como los productos de combustión no contienen CO ni O2, se la denomina también combustión neutra.O2, se la denomina también combustión neutra.

La cantidad de calor desarrollado por esta combustión La cantidad de calor desarrollado por esta combustión teórica perfecta, está dada por el poder calorífico del teórica perfecta, está dada por el poder calorífico del combustible.combustible.

b) Combustión completa.b) Combustión completa.

Utilizamos un exceso de comburente para asegurarnos Utilizamos un exceso de comburente para asegurarnos que se oxidan todos los elementos combustibles.que se oxidan todos los elementos combustibles.

En los productos de la combustión va a aparecer un En los productos de la combustión va a aparecer un sobrante de comburente pero ningún elemento sobrante de comburente pero ningún elemento combustible no oxidado completamente.combustible no oxidado completamente.

Responde al caso normal de hornos y calderasResponde al caso normal de hornos y calderas

En la práctica no puede lograrse una combustión perfecta En la práctica no puede lograrse una combustión perfecta si no se emplea una cantidad de aire superior a la teórica.si no se emplea una cantidad de aire superior a la teórica.

Las razones de esto son químicas y mecánicasLas razones de esto son químicas y mecánicas

Razones químicasRazones químicas

El exceso de aire:El exceso de aire:- mantiene en un sentido determinado las reacciones- mantiene en un sentido determinado las reacciones- asegura una combustión completa- asegura una combustión completa- mantiene la velocidad de las reacciones dentro de - mantiene la velocidad de las reacciones dentro de valores suficientemente elevadosvalores suficientemente elevados

Razones mecánicasRazones mecánicas

En un hogar industrial es imposible mezclar perfectamente En un hogar industrial es imposible mezclar perfectamente el aire introducido con el combustibleel aire introducido con el combustible

Lo mismo sucede cuando la carga es variable dependiendo Lo mismo sucede cuando la carga es variable dependiendo de los procesosde los procesos

Como los gases de combustión tienen temperaturas Como los gases de combustión tienen temperaturas superiores a la ambiente, el exceso de aire produce superiores a la ambiente, el exceso de aire produce además pérdidas térmicas, cuanto más exceso de aire además pérdidas térmicas, cuanto más exceso de aire mayores son las pérdidas.mayores son las pérdidas.

En la practica se busca la regulación de los equipos de En la practica se busca la regulación de los equipos de forma de buscar tener una combustión completa forma de buscar tener una combustión completa reduciendo al mínimo las perdidas térmicas por chimenea.reduciendo al mínimo las perdidas térmicas por chimenea.

Por ejemplo en este caso para un hidrocarburo CnHm, los Por ejemplo en este caso para un hidrocarburo CnHm, los productos de combustión serían:productos de combustión serían:

CnHm + aire en exceso = (CO2 + H2O + N2) + (O2 + N2)CnHm + aire en exceso = (CO2 + H2O + N2) + (O2 + N2) Comb. Teórica exceso Comb. Teórica exceso aireaire

Debido al oxígeno libre en los productos de combustión, Debido al oxígeno libre en los productos de combustión, también se la conoce como “combustión en atmósfera también se la conoce como “combustión en atmósfera oxidante”oxidante”

La cantidad de calor desarrollado no está influenciada por La cantidad de calor desarrollado no está influenciada por el exceso del aire, por lo que es igual a la liberada por la el exceso del aire, por lo que es igual a la liberada por la combustión perfecta teórica.combustión perfecta teórica.

c) Combustión imperfectac) Combustión imperfecta

Desde el punto de vista practico puede ser debido a dos Desde el punto de vista practico puede ser debido a dos causas diferentescausas diferentes

1) - La cantidad de aire en la cámara de combustión es a 1) - La cantidad de aire en la cámara de combustión es a priori insuficiente para obtener una combustión perfectapriori insuficiente para obtener una combustión perfecta

2) - La cantidad de aire es suficiente, pero se pone en 2) - La cantidad de aire es suficiente, pero se pone en contacto con el combustible en una medida insuficientecontacto con el combustible en una medida insuficiente

3) - Otra posibilidad es la mezcla de las mencionadas3) - Otra posibilidad es la mezcla de las mencionadas

Considerando el primer caso, se lo puede analizar según Considerando el primer caso, se lo puede analizar según dos situaciones:dos situaciones:

1 a) La cantidad de aire es inferior al mínimo 1 a) La cantidad de aire es inferior al mínimo estequiométrico.estequiométrico.

CnHm + aire ˂ mín esteq. = (CO2 + CO)+(H2O + H2)+N2CnHm + aire ˂ mín esteq. = (CO2 + CO)+(H2O + H2)+N2

Aquí los gases de combustión no tienen O2, pero si CO y Aquí los gases de combustión no tienen O2, pero si CO y H2, se la denomina “combustión en atmosfera reductora”H2, se la denomina “combustión en atmosfera reductora”

1 b) La cantidad de aire es mayor que el mínimo 1 b) La cantidad de aire es mayor que el mínimo estequiométrico, sin embargo ese exceso de aire no es estequiométrico, sin embargo ese exceso de aire no es suficiente para asegurar una buena combustión suficiente para asegurar una buena combustión

CnHm + aire en exceso insuficiente = (CO2 + CO)+(H2O + CnHm + aire en exceso insuficiente = (CO2 + CO)+(H2O + H2)+N2+O2 = Caso 1 a + O2H2)+N2+O2 = Caso 1 a + O2

Este caso se ve a menudo en la practica, cuando se Este caso se ve a menudo en la practica, cuando se intenta trabajar con muy bajo exceso de aireintenta trabajar con muy bajo exceso de aire

El tercer caso a analizar es cuando el exceso de aire es El tercer caso a analizar es cuando el exceso de aire es suficiente pero tenemos una combustión imperfectasuficiente pero tenemos una combustión imperfecta

CnHm + aire en exceso suficiente = (CO2 + CO)+(H2O + CnHm + aire en exceso suficiente = (CO2 + CO)+(H2O + H2)+N2+O2 H2)+N2+O2

Aquí la imperfección en la combustión, tiene causas Aquí la imperfección en la combustión, tiene causas evitables en el funcionamiento de la instalación.evitables en el funcionamiento de la instalación.

Parte del aire pasa a la cámara de combustión, sin entrar Parte del aire pasa a la cámara de combustión, sin entrar en contacto con el combustibleen contacto con el combustible

Puede haber otras razones que provocan CO y H2, por Puede haber otras razones que provocan CO y H2, por ejemplo la reacción interrumpida por descenso de ejemplo la reacción interrumpida por descenso de temperatura, aquí los átomos de C no quemados formaran temperatura, aquí los átomos de C no quemados formaran humo y hollínhumo y hollín

Esto sería el caso de una reacción incompletaEsto sería el caso de una reacción incompleta

d) Combustión incompleta. d) Combustión incompleta.

Es aquella combustión en la que no se oxidan Es aquella combustión en la que no se oxidan completamente todos los elementos combustibles.completamente todos los elementos combustibles.

En los productos de combustión aparece típicamente CO En los productos de combustión aparece típicamente CO (monóxido de carbono) y carbono no quemado (hollín). (monóxido de carbono) y carbono no quemado (hollín).

Generalmente las combustiones reales son incompletas, Generalmente las combustiones reales son incompletas, manteniéndose los valores de CO lo más bajos posibles.manteniéndose los valores de CO lo más bajos posibles.

En los productos de combustión pueden aparecer cierta En los productos de combustión pueden aparecer cierta cantidad de hidrocarburos, originales o degradados, que si cantidad de hidrocarburos, originales o degradados, que si son mensurables se considera esa combustión como son mensurables se considera esa combustión como incompleta incompleta

CnHm+ aire = CO2 +H2O + N2+O2+(CxHy+CO+H2)CnHm+ aire = CO2 +H2O + N2+O2+(CxHy+CO+H2)

con n ˃ x ; m ˃ ycon n ˃ x ; m ˃ y

La combustión incompleta siempre tendrá los caracteres La combustión incompleta siempre tendrá los caracteres de una combustión imperfectade una combustión imperfecta

La imperfecta tendrá como causa, la insuficiencia de aire, La imperfecta tendrá como causa, la insuficiencia de aire, mientras que la incompleta, la reacción no puede mientras que la incompleta, la reacción no puede completarse por algunas circunstancias (falta de tiempo, completarse por algunas circunstancias (falta de tiempo, temperaturas bajas, llama inadecuada, volumen reducido temperaturas bajas, llama inadecuada, volumen reducido de la cámara de combustión, defectuosa mezcla del aire de la cámara de combustión, defectuosa mezcla del aire con el combustible, variación de la carga térmica muy alta con el combustible, variación de la carga térmica muy alta o muy baja, excesiva superficie de radiación en la cámara, o muy baja, excesiva superficie de radiación en la cámara, etc)etc)