fundamentos de combustión

DIPLOMADOEN COQUIZACION Y

TECNOLOGIASDEL CARBON

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.COLOMBIA, PAIS DE CARBN

Colombia es un pas privilegiado, su variedad de climas, recursos naturales renovables y no renovables, as como su potencial humano, le brindan una condicin inmejorable para proyectarse a nivel mundial.Dentro de nuestros recursos mineros existen grandes reservas de carbones trmicos, coquizables y coquizantes. En la actualidad, slo una parte de los carbones trmicos se explota en forma tecnificada para los mercados internacionales; por lo dems, se explota a niveles prcticamente artesanales y con tecnologas rudimentarias, que no ofrecen ninguna garanta para el desarrollo industrial, ni para la proteccin del Medio Ambiente.

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EL CICLO

DELCARBON

. Importancia de la combustinGeneracin de energa empleada en aplicaciones industriales de transporte o domsticas, a partir de la combustin de combustibles slidos, lquidos y gaseosos.

Objetivos de una combustin Produccin de Energa

Calor Trabajo Sntesis de Compuestos

Produccin de luz Produccin de ruido

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La combustin es una reaccin de oxidacin

QU ES LA

COMBUSTION?

Es una reaccin qumica exotrmica que tiene lugar cuando algunos de los elementos que constituyen un combustible, reaccionan con el oxgeno a alta temperatura Una vez iniciada la reaccin a temperatura, velocidad y carcter exotrmico, se sostiene mientras los reactantes y sus propiedades mantengan las condiciones necesarias.

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Combustible + Comburente

=

Prod. Combustin

ELEMENTOS DE LA COMBUSTION

COMBUSTIBLES COMBURENTE PRODUCTOS DE COMBUSTION

En el proceso de combustin los componentes reaccionados en el combustible, forman 2 tipos de compuestos:

Esperados CO2 H2O

No DeseadosCO SOx Nox

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Definicin Sustancias naturales o artificiales que pueden arder y permiten el aprovechamiento de la energa liberada. Sustancias cuyo poder calorfico se puede aprovechar econmicamente. Su calor se obtiene mediante la reaccin exotrmica del Carbono, el Hidrgeno y el Azufre con el Oxgeno

COMBUSTIBLES

.COMBUSTIBLES

Clasificacin

General

.COMBUSTIBLES

Slidos

El proceso de combustin requiere de suficiente energa para alcanzar la ignicin y luego la remocin de los slidos

Clasificacin segn su Estado Facilitan la formacin de mezcla combustible/oxgeno y pueden quemar con facilidad en mezclas pobres

Lquidos

Requieren de energa para llevarlos a fase vapor para hacer la mezcla de combustin

Gaseosos

.COMBUSTIBLES

HIDROCARBURO Metano Etano Propano Butano Hexano Dixido de Carbono Pentano ELEMENTOS BASE

FORMULA CH4 C2H4 C3H4 C4H4 C6H4 CO2 C5H12 FORMULA O2 N2

% VOLUMEN 70 95 1 15 >a5

>a6

>a1 % VOLUMEN >a2 > a 20

Gaseosos

Oxgeno Nitrgeno

Gases Elaborados: Combustibles en fase gaseosa obtenidos a partir de otros productos combustibles de diferente fase. Carbn Coque C. De Castilla Biomasa (Cascarilla) Gases Gas Gas Aceites Gas Gases licuados

Estn compuestos por hidrocarburos y Elementos base

.COMBUSTIBLES

Productos de la destilacin del Petrleo

Lquidos

Se obtienen generalmente a partir de la Refinacin del Petrleo

Grados de Aceite ASTM

.COMBUSTIBLES

Carbn

Combustible orgnico de origen vegetal.

Es el combustible fsil ms usado en la generacin de vapor por su amplia disponibilidad y bajo costo.

Slidos

Como residuo de la combustin queda la materia mineral o cenizas.Sus principales propiedades y caractersticas como combustible, son: Poder calorfico

Carbn y Madera por tradicin

Cenizas Reduccin de tamao Manejo y Almacenamiento Productos de combustin

.COMBUSTIBLES Slidos Carbn

Composicin del Carbn

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COMBUSTIBLE

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Etapa inicial en el proceso de combustin, que debe cumplir 3 condiciones: Aporte de energa Energa proporcional al volumen de masa Tiempo de aporte de energa Fuentes de energa

IGNICION

Superficies calientes

Hilo calienteRadiacin de calor Llama piloto

Carga explosivaDescarga elctrica

Cuando el volumen de masa alcanza la temperatura de llama, se inicia la Combustin; por lo tanto, si se mantienen las condiciones el proceso es autosostenible

.IGNICIONE = Energa Tsq = Temp. Zona adyacente Tq = Temperatura de llama = Densidad = Espesor frente de llama

ETAPAS Acumulacin de energa Temperatura de llama en zona de reactantes y formacin de un frente de llama en contorno, desprendiendo energa

Difusin de energa a zonas adyacentes hasta alcanzar temperatura de llama y hacer el proceso autosostenible.

.IGNICION

Volmenes de ControlEsfera m1 = 4/3 r3 m2 = 4/3 [(r+)3 - r3] sq Cilindro

VOLUMEN

YENERGA MINIMA

m1 = r2 d qm2 = [(r+)2 - r2] d sq Para un recorrido diferencial: d/dr (qrm1) d/dr [m2 cp(Tq-Tsq)]

.IGNICION VOLUMEN Y ENERGA MINIMA

Para combustibles habituales: mf qr = (ma+mf)Cp(Tq-Tsq) donde: qr/cp(Tq-Tsq) 15 En procesos de combustin bajo condiciones ambientales q/sq Tsq/Tq 1/8 A 15/8 2 Esfera: r [(1+(1+A))/A] resf 1.4 rcil = 0.5El radio resultante es el radio mnimo que el volumen de productos quemados debe tener para que el frente de llama avance. Y el valor de la Energa aportada, est dado por:

Derivando, operando sustituyendo para cada caso:

y

Cilindro: r /A A = [qr/(cp(Tq-Tsq)][q/sq

Eesf 4/3 resf sq cp (Tq-Tsq)Ecil r2cil d sq cp (Tq-Tsq)

.IGNICION VOLUMEN Y ENERGA MINIMA = /uCL = Esp. frente de llama

Presin

= Coef. Difus. Trmico

FACTORES QUE INFLUYEN SOBRE LA ENERGIA MINIMA


Rgimen TurbulentoDt = Difusividad Turbulenta

Dl = Difusividad Laminar


A mayor turbulencia en el flujo de mezcla, aumenta la energa mnima, porque debe compensar la conveccin


Dosado


La energa mnima de ignicin se requiere cuando la composicin de la mezcla tiende a ser estequiomtrica.


Tiempo = Esp. frente de llama


El Tiempo influye en la cantidad de Energa que se aprovecha para iniciar el proceso.

.IGNICION

El dosado establece los lmites inferior y superior, fuera de los cuales la combustin no se presenta. Estos valores son del orden de: Ls = 3 Fe Li = 0.5 Fe Fe = Dosado Estequiomtrico

Lmites de Inflamabilidad

LIMITES DE INFLAMABILIDAD

.IGNICION LIMITES DE INFLAMABILIDAD

Dosado Estequiomtrico Vs Vel de Combustin Laminar UCL = Velocidad de combustin laminar

La variacin de los lmites con la temperatura inicial de la mezcla se concreta en un ensanchamiento de la zona inflamable al aumentar la temperatura.


Dosado real Vs Presin

Al aumentar la presin el lmite de inflamabilidad superior aumenta, con tendencia a la estabilidad con presiones altas, mientras que el lmite inferior permanece constante


Vol Combustible Vs Vol gas inerte

La presencia de gases inertes tambin modifica la inflamabilidad. Todos los lmites tienden a estrecharse alrededor de la lnea estequiomtrica, a medida que aumenta la concentracin de gases inertes en el aire.

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GENERALIZADA (AUTOENCENDIDO)

TIPOS DEDETONACION (DISCONTINUIDAD DE LA PRESION)

Laminar

PremezcladaTurbulenta

COMBUSTIONLOCALIZADA

Gas/Gas

Difusin

Lquido/Gas Laminar

Turbulenta

DEFLAGRACION

(DISCONTINUIDADDE LA TEMPERATURA)

.DE COMBUSTION

IPOS

COMBUSTION

Se caracteriza por una discontinuidad temporal, pero no espacial: Cualquier volumen diferencial est en las mismas condiciones en un instante determinado.El inicio de la combustin no es ocasionado por agente externo; es decir, NO HAY IGNICION y la fase final es muy rpida y exotrmica, presentndose como una XPLOSION. Su estudio es de gran aplicacin en la prevencin de explosiones.

GENERALIZADAO AUTOENCENDIDO

.DESe caracteriza por una discontinuidad espacial, pero no temporal. COMBUSTION Requiere de IGNICION y existe un frente de llama en progreso Segn el tipo de discontinuidad espacial, se clasifica en: C. L. Con Discontinuidad de Presin (Detonacin). Su velocidad de combustin es del orden de la velocidad del sonido, lo cual no permite homogeneidad de presiones, siendo necesario tener en cuenta la onda de choque generada. Se presenta en combustin anmala en motores de combust. C. L. Con Discontinuidad de Temperatura (Deflagracin). Presenta baja velocidad de combustin y transmite las variaciones de presin de forma instantnea. La discontinuidad de temperatura se localiza en el frente de llama. Dependiendo de si la mezcla es o no homognea, se divide en: Combustin premezclada Combustin por difusin.

IPOS

COMBUSTION LOCALIZADA

.DE COMBUSTION

IPOS

La Combustin Premezclada tiene lugar cuando la combustin se encuentra dentro de los lmites de inflamabilidad.

COMBUSTION Y POR

PREMEZCLADA DIFUSION

La Combustin por Difusin se caracteriza por que su velocidad de combustin viene controlada por fenmenos de Difusin que proporcionan las condiciones de mezcla Segn las fases iniciales de los reactantes, la combustin por difusin, se clasifica en: Gas/Gas Gas/Lquido

Y tanto la mezcla como la Combustin por Difusin pueden ser: Laminar Turbulenta

.El proceso de combustin del carbn se lleva a cabo en tres etapas: Desprendimiento de la Materia Voltil Combustin de la Materia Voltil en fase gaseosa Combustin del residuo poroso del carbn La Combustin del carbn en lechos fijos presenta dos zonas:

Zona de Oxidacin. Predomina el CO2Zona de Reduccin. Predomina el CO

COMBUSTION CONVENCIONAL

DEL CARBON

En estos lechos la relacin CO/CO2 se aproxima a un valor constante, el cual aumenta con la temperatura. La Combustin del carbn PULVERIZADO, presenta en primer lugar formacin de CO, El CO2 se presenta en la interfase Slido/Gas La Combustin termina en fase gaseosa, segn la reaccin: CO +1/2O2

=== CO2

.DEL CARBON

MBUSTION CONVENCIONAL

Es importante tener en cuenta los mecanismos anteriores para el suministro de aire en las zonas especficas y en las proporciones necesarias Aire Primario. Es el aire que entra en directo contacto con la partcula para generar las reacciones de combustin. Aire Secundario. Este aire complementa el proceso de combustin. Se encuentra en la parte superior del lecho, en la periferia de la zona principal de combustin con las Materias Voltiles. La combustin de carbn pulverizado con el aire que lo transporta, requiere que la materia voltil se queme primero y luego, el residuo carbonoso. Estos dos pasos ocurren en el volumen de aire que rodea la partcula, reduciendo la concentracin de O2; por lo tanto, disminuir los inquemados con poco exceso de aire, se requieren mayores tiempos de residencia de la partcula en el medio de combustin.

.CONVENC DEL CARBON

OMBUST

Combustin de Carbn en Parrilla

Combustin de Carbn Pulverizado

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CALENTAMIENTO DEL CARBONTRANSF. QUIMICAS

TRANSFORMACIONES FISICAS

Efectos sobre la Plasticidad

COMPORTAMIENTO DEL CARBON DURANTE EL CALENTAMIENTO

Partculas esfricas compactas

Dependen de la velocidad de calentamiento y la temperatura

Gases Hinchamiento Vapores Condensables Residuos Slidos Resolidificacin Estructura porosa Plasticidad

.DEL CARBON EN ELA Temperatura menor de 200C y Baja CALENTAM. presin Liberacin de calor

ORTAM.

Menor devolatilizacin Ignicin A Temperatura del orden de 300C

Devolatilizacin Produccin de: Alquitranes Los subproductos reaccionan con el oxgeno incrementando la Temperatura Hidrocarburos gaseosos

CO2 CO H2 H2 O

HCN

.DEL CARBON EN EL CALENTAM.

ORTAM.

El proceso incluye:

Liberacin de voltiles del carbnCondensacin y repolimerizacin de alquitranes en los poros del char Craqueo de los hidrocarburos Condensacin de Hidrocarburos gaseosos hacia productos de combustin

Produccin de Nox y SOx

Durante la oxidacin del CHAR se libera energa hacia la partcula y al gas que la rodea. La oxidacin de los reactantes iniciales libera calor adicional alrededor de la partcula.

POLUCION DEL AIRE

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Combustin incompleta Oxidos de Nitrgeno Productos de Combustin Aditivos

CORROSION Y LLUVIA ACIDA Causadas por transformaciones de los productos de combustion Afecta estructuras, vegetacin y vida marina.

CONSIDERACIONES AMBIENTALES COMBUSTION

INFLUENCIA EN SUPERFICIES INTERNAS Recubrimientos por acumulacin Corrosin y sobrecarga en estructuras Fusibilidad CONTAMINACION POR RUIDO Efectos sobre animales y humanos Vibraciones

DEL PROCESO DE

fundamentos de combustión

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