Al Direccin de Operacin Coordinacin de los CENACCentro Nacional de Capacitacin Celaya PRUEBAS DE COMBUSTIN Y PUESTA A PUNTO DEL GENERADOR DE VAPOR Fecha: del 15 al 19 de octubre de 2007 FACILITADOR: Ing. Daniel Antonio Santibez Acevedo Al Pruebas de combustin y puesta a punto del Generador de VaporPgina 2 de 222 Direccin de Operacin Coordinacin de los CENACCentro Nacional de Capacitacin Celaya NDICE OBJETIVO GENERAL: .................................................................................................................................. 6 INTRODUCCION ........................................................................................................................................... 7 COMBUSTIBLES ........................................................................................................................................ 10 1.-COMBUSTIBLES. .................................................................................................................................................... 11 2.-CLASIFICACION DE LOS COMBUSTIBLES ...................................................................................................... 11 2.1.-COMBUSTIBLES SOLIDOS ............................................................................................................................ 11 2.2 COMBUSTIBLES LIQUIDOS. ........................................................................................................................ 14 2.3 COMBUSTIBLES GASEOSOS. ....................................................................................................................... 15 2.4 PODER CALORIFICO DE LOS COMBUSTIBLES MAS USUALES. ............................................................ 15 3.-COMBUSTOLEOSMEXICANOS. ........................................................................................................................ 17 4.-PROPIEDADES BSICAS DE LOS COMBUSTOLEOS. ..................................................................................... 18 4.1 GENERALIDADES. .............................................................................................................................................. 18 4.2 PROPIEDADES BASICAS DE LOS COMBUSTOLEOS MEXICANOS. ............................................................ 19 5.-EFECTOS DE LAS PROPIEDADES DE LOS COMBUSTOLEOS EN LA OPERACIN DE LOS GENERADORES DE VAPOR. ................................................................................................................................ 22 5.1 AGUA POR DESTILACIN, Y SEDIMENTOS. .................................................................................................. 22 5.2 DENSIDAD A 20C. ............................................................................................................................................. 22 5.3 TEMPERATURA DE INFLAMACIN................................................................................................................. 22 5.4 TENSIN SUPERFICIAL..................................................................................................................................... 23 5.5 VISCOSIDAD A 50C. .......................................................................................................................................... 23 5.6ANALISIS ELEMENTAL Y PODER CALORIFICO. .......................................................................................... 24 5.7 CENIZAS Y METALES. ........................................................................................................................................ 24 5.8 FRACCIONES DEL COMBUSTOLEO. ............................................................................................................... 25 6.-EFECTOS DEL TIEMPO DE ALMACENAMIENTO Y LA TEMPERATURA EN LAS PROPIEDADES DE LOS COMBUSTOLEOS. ......................................................................................................................................... 27 6.1 EFECTOS DEL TIEMPO DE ALMACENAMIENTO.......................................................................................... 27 6.2 EFECTOS DE LA TEMPERATURA EN LAS PROPIEDADES DEL COMBUSTOLEO. .............................. 28 COMBUSTIN DE GENERADORES DE VAPOR ..................................................................................... 33 1.-INTRODUCCIN. .................................................................................................................................................... 34 2.-COMBUSTIN ESTEQUIOMTRICA. ................................................................................................................. 34 2.1ESTEQUIOMETRIA DE LOS ELEMENTOS REACTANTES. ........................................................................ 35 2.2 ESTEQUIOMETRIA DE LOS PRODUCTOS. ................................................................................................. 38 2.3 CALOR LIBERADO POR EL COMBUSTIBLE. .................................................................................................. 40 3.COMBUSTIN CON EXCESO DE AIRE. ............................................................................................................. 40 4.LA MECNICA DE LA COMBUSTIN. ............................................................................................................... 42 4.1 EL CALOR REQUERIDO. ............................................................................................................................... 43 4.2 LO ESENCIAL DE LA MEZCLA. .................................................................................................................... 43 4.3 EL TIEMPO REQUERIDO. ............................................................................................................................. 44 4.4 ATOMIZACIN. ............................................................................................................................................... 44 4.5 ATOMIZADORES. ........................................................................................................................................... 46 4.6 AERODINMICA. ............................................................................................................................................ 47 4.7 FLAMAS. .......................................................................................................................................................... 48 5.COMBUSTIN DEL COMBUSTLEO. ................................................................................................................ 48 5.1 PRODUCTOS DE COMBUSTIN DEL COMBUSTLEO. ......................................................................... 49 5.2 EFICIENCIA DE LA COMBUSTIN. ................................................................................................................. 53 ATOMIZACIN ............................................................................................................................................ 55 1.-ATOMIZACIN ....................................................................................................................................................... 56 1.1 FUNDAMENTOS DE ATOMIZACIN Y SUS APLICACIONES. ...................................................................... 56 Al Pruebas de combustin y puesta a punto del Generador de VaporPgina 3 de 222 Direccin de Operacin Coordinacin de los CENACCentro Nacional de Capacitacin Celaya 1.2 MECANISMOS DE ATOMIZACIN. .................................................................................................................. 56 1.3 DISTRIBUCIN DE TAMAO DE GOTAS. ................................................................................................... 57 1.4 PATRN Y PERFIL DE UN SPRAY DE COMBUSTIBLE. ........................................................................... 59 1.5 ATOMIZADORES ............................................................................................................................................. 60 1.6 CONCLUSIONES ............................................................................................................................................. 61 2.AERODINMICA DE QUEMADORES. ................................................................................................................. 61 3.-QUEMADORES DE BAJA PRODUCCIN DE XIDOS DE NITRGENO. ..................................................... 63 3.1 INTRODUCCIN. ........................................................................................................................................... 63 3.2 CAUSAS DE LA FORMACIN DE LOS NOx EN LA COMBUSTIN. .......................................................... 64 3.3 FACTORES QUE AFECTAN LA FORMACIN DE LOS NOx EN LOS SISTEMAS DE COMBUSTIN DE GENERADORES DE VAPOR. ................................................................................................................................... 66 3.4 TECNOLOGAS PARA EL CONTROL DE LA PRODUCCIN DE LOS XIDOS DE NITRGENO. ...... 68 3.5 PRINCIPIOS BSICOS PARA EL DISEO DE QUEMADORES DE BAJA PRODUCCIN DE NOx. ........... 72 3.5.3Quemadores con escalonamiento dual. ....................................................................................................... 73 A AN N L LI IS SI IS S D DE E L LO OS S G GA AS SE ES S D DE E C CO OM MB BU US ST TI I N N ......................................................................................... 75 1.-INTRODUCCIN. .................................................................................................................................................... 76 2.-ANLISIS PRELIMINAR DE GASES. ................................................................................................................... 77 2.1DETERMINACION DEL 02. ............................................................................................................................. 77 2.2DETERMINACIN DE CO Y PARTICULAS. ................................................................................................. 80 2.3DETERMINACIN DEL SO2 ........................................................................................................................... 80 2.4DETERMINACIN DEL N2 ............................................................................................................................. 81 3.-TCNICAS PARA LA MEDICIN DE PRODUCTOS DE COMBUSTIN ........................................................ 81 3.1 ORSAT. ............................................................................................................................................................. 82 3.2PARAMAGNETISMO. ...................................................................................................................................... 82 3.3ELECTROQUMICO. ....................................................................................................................................... 83 3.4INFRARROJO NO DISPERSIVO. .................................................................................................................... 84 3.5FLUORESCENCIA. .......................................................................................................................................... 84 3.6METODO EPA 8. ........................................................................................................................................... 84 3.7QUIMILUMINISENCIA. .................................................................................................................................. 85 3.8NEFELMETRO. ............................................................................................................................................. 85 3.9ISOCINETICO DE PARTCULAS. .................................................................................................................. 86 3.10CONDENSACIN Y TITULACIN VOLUMTRICA. ................................................................................... 86 3.11ESPECTROMETRA VISIBLE DE FLUJO CONTINUO POR DESPLAZAMIENTO. ................................... 87 3.12PUNTO DE ROCO CIDO. ........................................................................................................................... 88 COMPORTAMIENTO DEL SISTEMA DE COMBUSTIN DE UN GENERADOR DE VAPOR ................. 91 1.OBJETIVO ................................................................................................................................................................ 92 2.OPTIMIZACIN DE LA COMBUSTIN EN GENERADORES DE VAPOR. .................................................... 92 2.SECUENCIA DE PRUEBAS. ................................................................................................................................... 94 3.1Pruebas principales .......................................................................................................................................... 95 3.2Pruebas complementarias ................................................................................................................................. 96 3.3Determinaciones complementarias. .................................................................................................................. 96 3.4Evaluacin del comportamiento trmico del generador de vapor. .................................................................. 96 4.DESCRIPCIN DE CADA PRUEBA ...................................................................................................................... 96 4.1Mediciones preliminares ................................................................................................................................... 96 4.2Comportamiento del sistema de combustin en condiciones iniciales. ............................................................ 97 4.3Influencia de la presin del vapor de atomizacin en el comportamiento del sistema de combustin. ........... 98 4.4Influencia de la temperatura de atomizacin del combustible en el comportamiento del sistema de combustin. ............................................................................................................................................................... 100 4.5Influencia de la diferencia de presiones entre las cajas de aire y el hogar en el comportamiento del sistema de combustin. ........................................................................................................................................................... 101 4.6Comportamiento del sistema de combustin en las condiciones finales. ....................................................... 102 5.PRUEBAS COMPLEMENTARIAS ...................................................................................................................... 103 5.1Limpieza y comportamiento de quemadores .................................................................................................. 103 Al Pruebas de combustin y puesta a punto del Generador de VaporPgina 4 de 222 Direccin de Operacin Coordinacin de los CENACCentro Nacional de Capacitacin Celaya 6.DETERMINACIONES COMPLEMENTARIAS .................................................................................................. 104 6.1Anlisis de combustible utilizado en las pruebas ........................................................................................... 104 6.2Composicin de partculas contenidas en los gases de combustin............................................................... 104 6.3Anlisis de las presiones y temperaturasdel circuito aire-gases. ................................................................. 104 7.EVALUACIN DEL COMPORTAMIENTO TERMICO DEL GENERADOR DE VAPOR. ............................ 107 REFERENCIAS ......................................................................................................................................... 109 EFICIENCIA TRMICA ............................................................................................................................. 110 DEL GENERADOR DE VAPOR ................................................................................................................ 110 1.INTRODUCCIN ................................................................................................................................................... 111 2.SIMBOLOGA ........................................................................................................................................................ 113 3.1Hogar de la caldera. ....................................................................................................................................... 116 3.2Domo. .............................................................................................................................................................. 116 3.3Sobrecalentador y recalentador. ..................................................................................................................... 117 3.4Economizador. ................................................................................................................................................ 117 3.5Calentador de aire. ......................................................................................................................................... 117 4.DESCRIPCIN DEL PROCESO ........................................................................................................................... 118 4.1Circuito aire-gases de combustin. ................................................................................................................. 118 4.2Circuito Agua-Vapor de agua. ........................................................................................................................ 119 5.FACTORES Y VARIABLES QUE AFECTAN LA EFICIENCIA. ...................................................................... 120 5.1Condiciones Climatolgicas. .......................................................................................................................... 120 5.2Sistema de Combustin. .................................................................................................................................. 120 5.3Equipo de transferencia de calor. ................................................................................................................... 121 6.OBJETO Y ALCANCE DEL PROCEDIMIENTO. ............................................................................................... 121 6.1Objetivo. .......................................................................................................................................................... 121 6.2Definiciones. .................................................................................................................................................... 121 6.3Condiciones de Prueba. .................................................................................................................................. 123 7.PROCEDIMIENTO DE CALCULO. ..................................................................................................................... 125 7.2 Datos y Mediciones ........................................................................................................................................ 125 7.3 Informacin necesaria. ................................................................................................................................... 127 7.4 Clculos Preliminares .................................................................................................................................... 128 7.5 Clculo de las prdidas de calor (QP). .......................................................................................................... 130 7.6 Crditos de calor (CC). .................................................................................................................................. 132 7.7 Resultados Finales. ........................................................................................................................................ 133 REFERENCIAS. ........................................................................................................................................ 134 Al Pruebas de combustin y puesta a punto del Generador de VaporPgina 5 de 222 Direccin de Operacin Coordinacin de los CENACCentro Nacional de Capacitacin Celaya Al Pruebas de combustin y puesta a punto del Generador de VaporPgina 6 de 222 Direccin de Operacin Coordinacin de los CENACCentro Nacional de Capacitacin Celaya OBJETIVO GENERAL: Proporcionar los elementos necesarios para que el participante comprenda mejor la problemtica de disponibilidad y eficiencia de las centrales termoelctricas. Al Pruebas de combustin y puesta a punto del Generador de VaporPgina 7 de 222 Direccin de Operacin Coordinacin de los CENACCentro Nacional de Capacitacin Celaya INTRODUCCION El proceso de combustin ocupa un lugar importante dentro de la problemtica de disponibilidad y eficiencia de las calderas y calentadores a fuego directo. De l se derivan buena parte de los problemas de ensuciamiento y deterioro de las partes metlicas, constituyendo una de las causas ms importantes de indisponibilidad y falla, particularmente agravadas por las caractersticas del combustible utilizado. De estos equipos se han realizado, durante los ltimos aos, mltiples estudios y experienciasenreastalescomoanlisisydeterminacindelaspropiedades fsicas,qumicasytrmicasdegasnaturalycombustleo;ascomode atomizadoresdecombustibles,aerodinmicadequemadores,combustinde aceitespesadosydeteriorodeloscomponentesmetlicosdeCentrales Termoelctricas; que han ayudado a un mejor conocimiento y control del proceso de combustin. Los combustibles contienen 3 elementos qumicos de significancia: El carbono, el hidrgenoyelazufre.Elazufrenormalmenteesdemenorsignificanciacomo fuente de calor, pero es el de mayor importancia en los problemas de corrosin y contaminacin. Algunascaractersticasdeloscombustiblesson:Contenidodehumedad, densidad, viscosidad, poder calorfico, punto de inflamacin, punto de combustin, contenido de azufre y cenizas. La ms importante de estas caractersticas es el poder calorfico, que consiste en lacantidaddeenergacalorficaqueescapazdeentregaruncombustiblealser quemado, midindose en Kcal/Kg, BTU/lb o Joule/Kg. Loscombustiblespuedenclasificarseentresgrandesgrupos:a)Slidos,b) Lquidos y c) Gaseosos. Esta clasificacin aunque solo hace referencia al estado fsico del material,agrupa tambin los problemas derivados de esta caracterstica, que se presenta en el transporte, manejo y quemado de los combustible. En esta ocasin se analizan, de manera ms profunda, las principales propiedades de los combustibleslquidosderivadosdelpetrleoy,especficamentedelosaceites residualesdepetrleo,llamadoscombustleos,yaquelamayorpartedela energa trmica utilizada en el pas se genera a partir de ellos. Los productos obtenidos durante la combustin, en una caldera, dependen de las caractersticasdelcombustibleydelestadodeconservacinyoperacindel Al Pruebas de combustin y puesta a punto del Generador de VaporPgina 8 de 222 Direccin de Operacin Coordinacin de los CENACCentro Nacional de Capacitacin Celaya sistemadecombustin.Estascondicionesdeterminanlaconcentracindecada producto e incluso, la presencia o ausencia de algunos de ellos. Losproductosdecombustinincluyencompuestosgaseosos,vaporesyslidos. Entrelosdosprimerosseencuentranlosxidosdecarbono,agua,xidosde azufre, xidos de nitrgeno, hidrgeno, compuestos hidrocarbonados, etc. Losslidos puedendividirseendosgrupos:Losquesedepositanenlazonade altatemperatura,formadosporcompuestosinorgnicosprovenientesdelos elementos metlicos presentes en el combustible, y los que son transportados por los gases de combustin hasta las regiones de baja temperatura, constitudos por carbn, xidos y sales metlicas. Enelpresentemanualseincluyenlosmtodosdemedicinylosinstrumentos requeridosparadeterminarlosprincipalesproductosdecombustincomoson: Oxgeno (O2), Monxidode Carbono (CO), Bixido de Carbono (CO2), Bixido de Azufre(SO2),OxidodeNitrgeno(Nox),trixidodeazufre(SO3)ypartculas inquemadas (PST). La eficiencia trmica de una caldera, definida como la relacin de calor de salida sobre el calor de entrada a la unidad, es un factor de gran importancia durante la etapadediseodelamisma,yaqueinfluyenenformadirectaenlaevaluacin econmica para la seleccin de equipos auxiliares y sistemas de recuperacin de calordelaunidad(economizador,precalentadordeaireoambos). Posteriormente,durantelaetapadeoperacin,laauditoraenergticadela caldera es el factor econmico de mayor impacto, debido a que representa la parte delaenergatildelaliberadaporelcombustiblequemado.Esdecir,esuna medidaindirectadelconsumodelcombustibleyporlotantodelcostode operacin de la unidad de generacin de energa. Debido a que la calidad de los combustibles utilizados en Mxico, particularmente el combustleo, para la generacin de energa, ha cambiado en los ltimos aos; comoconsecuenciaprincipalmentedelaincorporacindelcrudomayaalos procesosderefinacin,resultaporlotantonecesarioadecuarlosparmetrosde operacindelossistemasdecombustinalasnuevascaractersticasdelos combustiblesenuso,conelobjetodecontribuirarecuperarsudisponibilidady restituir en la medida que sea posible, su eficiencia a los valores de diseo. Paraalcanzartalobjetivo,serequieredeunametodologaquepermita caracterizarelfuncionamientodelossistemasdecombustinconlos combustiblesactualesy,conbaseenlosresultadosdeestacaracterizacin, definirlosvaloresdelosparmetrosdeoperacinqueposibilitenqueelproceso de combustin se realice en forma eficiente. Enelpresentetrabajosedescribe,unametodologaparalaoptimizacindel proceso de combustin en calderas, que consiste bsicamente en una evaluacin Al Pruebas de combustin y puesta a punto del Generador de VaporPgina 9 de 222 Direccin de Operacin Coordinacin de los CENACCentro Nacional de Capacitacin Celaya delcomportamientodelsistemadecombustinparavariascondicionesde operacin. Al Pruebas de combustin y puesta a punto del Generador de VaporPgina 10 de 222 Direccin de Operacin Coordinacin de los CENACCentro Nacional de Capacitacin Celaya COMBUSTIBLES Al Pruebas de combustin y puesta a punto del Generador de VaporPgina 11 de 222 Direccin de Operacin Coordinacin de los CENACCentro Nacional de Capacitacin Celaya 1.-COMBUSTIBLES. Combustible es toda substancia que combinado con el oxgeno del aire produce luz, calor y desprendimiento de gases, el cual es obtenido de la naturaleza en diferentes formas fsicas. Loscombustiblescontienen3elementosqumicosdeimportancia:Elcarbono,el hidrgeno y el azufre. El azufre normalmente es el menos significativo como fuente de calor, pero es el ms relevante en los problemas de corrosin y contaminacin. Algunas caractersticas de los combustibles son: Contenido de humedad, densidad, viscosidad,podercalorfico,puntodeinflamacin,puntodecombustin,contenido de azufre y cenizas. La ms importante de estas caractersticas es el poder calorfico, que consiste en la cantidaddeenergacalorficaqueescapazdeentregaruncombustiblealser quemado, midindose en Kcal/kg, BTU/lb o Joule/kg. 2.-CLASIFICACION DE LOS COMBUSTIBLES Los combustibles pueden clasificarse en tres grandes grupos: a) slidos, b) lquidos yc)gaseosos.Estaclasificacinaunqueslohacereferenciaalestadofsicodel material,agrupatambinlosproblemasderivadosdeestacaracterstica,quese presentan en el transporte, manejo y quemado de los combustibles. En esta seccin seanalizan,demaneramsprofunda,lasprincipalespropiedadesdelos combustibleslquidosderivadosdelpetrleo,y,especficamentedelosaceites residuales de petrleo, llamados combustleos, ya que la mayor parte de la energa elctrica del pas se genera a partir de ellos. 2.1.-COMBUSTIBLES SOLIDOS Elcarbneselcombustibleslidomsutilizado,elcualseextraedelsenodela tierrayquesehaproducidopordescomposicindemateriasvegetalesaalta temperaturas y presiones en el curso de los siglos. Las edades aproximadas de los carbones son las siguientes: Antracitas 250 MA Bituminoso150 MA Subbituminoso100 MA Lignito40MA Turba1MA Al Pruebas de combustin y puesta a punto del Generador de VaporPgina 12 de 222 Direccin de Operacin Coordinacin de los CENACCentro Nacional de Capacitacin Celaya Estoscombustiblessonclasificados,deacuerdoalcdigoA.S.T.M.enRANGOS, los cuales dependen del grado de conversin de la celulosa o grafito, es decir, son de mayor rango aquellos que tienen mayor porcentaje de carbn, de acuerdo con la siguiente tabla: CLASIFICACION A.S.T.M. PARA CARBONES DE E.U.A. Y CANADA CLASEGRUPO*CARBON FIJO (%) +PODER CALORIFICO (Kcal/Kg) Antracita Meta-Antracita Antracita Semiantracita 98 92 98 86 92 > 7814 Bituminoso Poco voltil Medio voltil Voltil alto A Voltil alto B Voltil alto C 78 76 65 78 > 69 7814 7240 - 7814 Subbituminoso A B C 6141 7240 5305 6141 4636 53 05 Lignito Lignito Carbn caf < 69 < 4636 < 4636 * Seco y libre de ceniza + Hmedo, libre de ceniza Algunas de las principales caractersticas de carbones para uso industrial son: Humedad (>20%; 12%; 1-2%) Materia Voltil (>40%; 4-9%) Azufre (>1-3%; 1-2%) GeneralmentesehaconsideradoqueloscarbonesdelNortedeMxicose encuentranenelrangodeloscarbonesbituminosos,ancuandotambinexisten carbonessub-bituminosos.Loscarbonessub-bituminosostienenunaltocontenido de cenizas, de apariencia laminar brillante pero se vuelven opacos cuando se pone al sol, su anlisis aproximado es de: Humedad 12% Materia Voltil 40% Al Pruebas de combustin y puesta a punto del Generador de VaporPgina 13 de 222 Direccin de Operacin Coordinacin de los CENACCentro Nacional de Capacitacin Celaya Carbn Fijo 40% Cenizas 8% El carbn bituminoso o hulla no se desintegra con el tiempo y es la base de carbn msempleada,tienemayorpodercalorficoqueelsub-bituminosoysuanlisis aproximado es: Humedad 4% Materia Voltil 29% Carbn fijo 60% Cenizas 7% Tanto el carbn bituminoso como el sub-bituminoso son aceptables, desde el punto de vista de poder calorfico, para utilizarlos como combustibles en la generacin de energa elctrica. Lascenizassonsubstanciasmineralesnocombustiblesquesefunden, convirtindoseenescorias.Cuandoenelhogarsealcanzantemperaturas suficientementeelevadas,partedelasescoriascaenenelcenicero,peropartese enfraconelairequeseinyectaparalacombustin,quedandoadheridasalas paredes laterales del horno y al emparrillado del hogar. El alto porcentaje de cenizas es factor determinante en la decisin que se toma para utilizar el carbn como combustible. Los carbones de tipo normal contienen entre el 5 yel10%decenizas,losdebuenacalidadhastaunmximode5%ylosdebaja calidad ms del 16. La presencia de azufreenloscarbonesesperjudicialporloscomponentesque se forman durante la combustin. Cuando se mezclan con la humedad, forman cidos quecorroenlaspartesmetlicasdelascalderas,loseconomizadoresylos precalentadores de aire. El contenido del azufre en los carbones comerciales vara entre el 0.3 y el 2.5%. Los carbones contienen la humedad propia hasta el momento de ser extrados de las minas. La humedad adicional proviene de la condensacin atmosfrica de las lluvias, dellavadodeltratamientoalquesonsometidos.Lahumedadtienevalores comprendidos entre el 2 y el 15%. Duranteelalmacenamientodelcarbnpuedepresentarseunacombustin espontneaysucedecuandoesamontonadoyexpuestoalaaccinatmosfrica, sufriendounaoxidacinlentaquedisminuyesupodercalorficoycalidad,comola oxidacinsedesarrollacondesprendimientodecalor,stepuedeconcentrarseen unareapequea,elevandolatemperaturadelcarbn.Elespesorde amontonamiento favorece la combustin espontnea y para cada tipo de carbn se determina el espesor mximo de seguridad. Al Pruebas de combustin y puesta a punto del Generador de VaporPgina 14 de 222 Direccin de Operacin Coordinacin de los CENACCentro Nacional de Capacitacin Celaya 2.2 COMBUSTIBLES LIQUIDOS. En la clasificacin de combustibles lquidos se encuentran los aceites combustibles, gasolinas, alcohol, etc. La mayor parte de los combustibles lquidos se obtienen por diversos procesos a los queessometidoelpetrleocrudo(destilacin,cracking,estabilizacin, hidrogeneracin, alquilacin, etc.). El petrleo es un excelente combustible para generar calor y fuerza, siendo el ms popular de los combustibles lquidos y el de mayor utilizacin en Mxico. Elresiduoqueseobtienealrefinarelpetrleo,esunlquidonegroviscosoysin slidos denominadocombustiblepesadoyeselqueseempleaparaquemarse en los generadores de vapor. Existe amplia variedad de petrleos con caractersticas fsicas y qumicas diferentes, locualdlugaramodificarsuscondicionesdequemado.Lascaractersticasms importantes del petrleo son las siguientes: a)Gravedadespecfica:-Eslaproporcindelospesosdeunvolumen dado de agua y petrleo, con ambas substancias a una temperatura de 20C. b)Puntodeflama.-Eslatemperaturamsbajaenlacualunpetrleo producirvaporesencendiblesoexplosivos.Esimportantepara determinar los requisitos de almacenaje y manejo de petrleo. c)Calor especfico medio.- Es la cantidad de calor requerido para elevar la temperatura de un kilogramo de petrleo en un grado centgrado. d)Viscosidad.- La viscosidad de un petrleo es la medida de su resistencia almovimientointernooflujo.Laviscosidadesimportantedebidoasu efectoenelgradodeatomizacinobtenidoporlosquemadoresde petrleo. Generalmente los petrleos pesados tienen viscosidades ms altas que los ligeros. La viscosidad del petrleo combustible disminuye rpidamente con el aumento detemperatura.Unprecalentamientorelativamentemoderadohace posible el uso de petrleos que son altamente viscosos a la temperatura atmosfrica. Al Pruebas de combustin y puesta a punto del Generador de VaporPgina 15 de 222 Direccin de Operacin Coordinacin de los CENACCentro Nacional de Capacitacin Celaya e)Podercalorfico.-Eslacantidaddeenergaqumicafactiblede convertirse en energa calorfica al ser quemado el combustible. f)Contenidodeazufreycenizas.-Elazufreenelaceitecombustible, puede causar corrosiones muy fuertes en el generador de vapor porque se combina con la humedad existente y forma cido sulfrico que corroe los tubos y los ductos. g)Contenido de sedimentos.- Se mide en peso o porcentaje de volumen y puede causar considerable dao a las vlvulas y bombas de las lneas de combustible. 2.3 COMBUSTIBLES GASEOSOS. Enlascalderas,solamenteseutilizacomocombustibleporsubajocosto,elgas natural que se obtienen en el mismo lugar de donde se extrae el petrleo, resultando antieconmicos los gases manufacturados. El gas natural es el combustible que nos proporciona mayores ventajas, tanto por la simplicidad de su manejo como por una mayor eficiencia de operacin del generador devapor.Lacombustincompletasepuedeefectuarmsfcilmenteconmenor exceso de aire; al estar libre de cenizas, la combustin es prcticamente sin humo y noexisteacumulacindeescorianicontaminacindelambiente.Sinembargo,se debe tener una mayor consideracin de seguridad en el diseo de sus sistemas, ya que se mezcla fcilmente con el aire y el peligro potencial de una explosin es ms grande que con otros combustibles. 2.4 PODER CALORIFICO DE LOS COMBUSTIBLES MAS USUALES. Acontinuacinsepresentaunatablaconlosvalorespromediodelos combustibles slidos, lquidos y gaseosos ms utilizados en Mxico, como fuentes de energa de aplicacin diversa. PODER CALORIFICO DE ALGUNOS COMBUSTIBLES Carbn de Coahuila27 256 068 J/kg (6520 Kcal/kg) Petrleo tipo ferrocarril42 956 568 J/kg (10260 Kcal/kg) Aceite Diesel 45 343 044 J/kg (10830 Kcal/kg) Combustible ligero 43 249 644 J/kg (10330 kcal/kg) Al Pruebas de combustin y puesta a punto del Generador de VaporPgina 16 de 222 Direccin de Operacin Coordinacin de los CENACCentro Nacional de Capacitacin Celaya Gas natural52 335 000 J/kg (12500 Kcal/kg) Elanlisiselementaldeloscombustibles,consisteenladeterminacindelos principales componentes como C, H, O, N y S. En la tabla siguiente, se muestra la composicin qumica de los combustibles ms usuales. Al Pruebas de combustin y puesta a punto del Generador de VaporPgina 17 de 222 Direccin de Operacin Coordinacin de los CENACCentro Nacional de Capacitacin Celaya COMPOSICION QUIMICA DE LOS COMBUSTIBLES MAS USUALES (%) W/W. TIPO C H O N S MADERA TURBA LIGNITO CARBON DE BAJO RANGO ANTRACITO PETROLEO CRUDO COMBUSTOLEO DIESEL GASOLINA GAS NATURAL 50 58 70 81 94 86 85 86 85 75 6 5 5 5 3 13 11 14 15 24.5 43 35 23 12 12 0.5 1 1 1 1 0.5 0.5 1 1 1 1 1 4 3.-COMBUSTOLEOSMEXICANOS. Elcombustleo,debeserunproductobaratodebidoalcarcterdesuaplicacin especfica, esporlo tanto,elresiduo devariosprocesos destinadosalaobtencin de productos ms valiosos. Por esta razn, sus propiedades pueden variar dentro de varios intervalos. Normalmente es necesario mezclarlos con cortes ms ligeros para alcanzar las especificaciones que impone su uso (particularmente la viscosidad. Enlasespecificaciones,tantonacionalescomoextranjeras,sloseincluyeun limitadonmerodepropiedadescuyosvaloresdefinenlosrequisitosquedeben cumplirlosaceitescombustibles;siadicionalmenteelcompradordeseaincluir mayoresrequisitosenlaespecificacin,debeacordarloconelvendedor,esto normalmente repercute en el costo del producto.} Las calderas de la CFE han sido diseadas para utilizar un combustible Bunker C (2).Estanomenclaturaseusacadadamenos,ypuedeconsiderarseBunkerC Al Pruebas de combustin y puesta a punto del Generador de VaporPgina 18 de 222 Direccin de Operacin Coordinacin de los CENACCentro Nacional de Capacitacin Celaya comounnombrealternativodelaceitenmero6(3).Losgrandesusuariosde combustible fijan sus propias especificaciones que se adaptan a equipos especficos, a condiciones de operacin, y a condiciones econmicas y polticas. Lascaractersticasdelcombustibleparalasquesediseanenlaactualidadlos generadoresdevapor,sonfijadasdecomnacuerdoentreCFEyPEMEX.Sin embargo,entreotrosparmetros,losaltosvaloresdeviscosidadde50Cyde contenidos de azufreyvanadio,sonelresultado de unarefinacin ms exhaustiva del petrleo crudo, y a la introduccin de crudos ms pesados en las corrientes de alimentacinarefinera,loquerindeaceitesresidualesconpropiedadesdistintas, quedemandanestudioscuidadososdelosgeneradoresdevaporexistentes,yla obtencin de parmetros de diseo para unidades futuras. En los captulos 4 y 5 se analizan diversas propiedades de los combustleos y sus efectos en la operacin de las Centrales Termoelctricas. 4.-PROPIEDADES BSICAS DE LOS COMBUSTOLEOS. 4.1 GENERALIDADES. Aprincipiosdelapresentedcada,CFEsufriunimportanteincrementoenla indisponibilidad de sus generadores de vapor con capacidades mayores de 75 MW, por el concepto COMBUSTIBLE-COMBUSTION. Estefenmenoocurreenformasimultneaconeldeterioroyvariabilidadenla calidad del combustleo. Sedesarrollunestudiodelaspropiedadesbsicas(6)deloscombustleos usadosendiversasCentralesTermoelctricasdurante1981-82conelfinde identificar el problema y establecer su magnitud. Posteriormente (1982-84) se realiz un estudio ms amplio que permiti clasificar aloscombustleos,deacuerdoconsuspropiedades,enregionesqueson estrictamentegeogrficas.Enestetrabajoseestudiarontambin,demanera preliminar,unaseriedepropiedadesdeimportanciaenelalmacenamiento, trasiego y quemado de los combustibles, las llamadas propiedades especiales. Enunproyectomsespecfico(7)seestudiaronconmayordetallelas propiedades especiales y se establecieron sus intervalos de variacin. Lacombustindegotasindividualesdecombustleofueobjetodeunestudio cualitativo(8)cuyosresultadosrevelaronlaimportanciadedeterminarlas Al Pruebas de combustin y puesta a punto del Generador de VaporPgina 19 de 222 Direccin de Operacin Coordinacin de los CENACCentro Nacional de Capacitacin Celaya constantesdevelocidaddecombustindeloscombustleospesados;esta empresa est por iniciarse con un montaje experimental ms refinado. Enlatabla1sepresentanlosvaloresestadsticosdesietedelaspropiedades medidasenlosdosestudiosdecaracterizacinantesmencionados(1,6),ylos valorestpicosdeterminadosenloslaboratoriosdelIIEem1979.Lasdiferencias sonevidentes;elincrementoenelcontenidodeasfaltenos(insolublesenn-pentano),yotroscompuestosindeseablesaloscombustleosmexicanoscomo unaclasenuevadecombustiblesquedemandaestudiosmsprofundosdesus propiedades,yunenfoqueintegraldelprocesodesucombustinparalograrel mximo aprovechamiento en las unidades actuales y mejorar las especificaciones para las futuras. 4.2 PROPIEDADES BASICAS DE LOS COMBUSTOLEOS MEXICANOS. Durantelacaracterizacindeloscombustleosrealizadade1982a1984(1),se estudiaroncombustiblesde13Centrales,queseagruparonenregionesno necesariamente correspondientes a zonas geogrficas o regiones de la CFE, sino a Plantas cuyo combustleo tiene caractersticas semejantes. En el presente captulo se comentan los resultados globales, la tabla 1 ofrece un anlisis detallado. En la tabla 2 se presentan los valores promedio de las 28 propiedades determinadas eneltrabajodereferencia(1).Larevisindeestatablabrindaunaideadeloque son los combustleos utilizados en el presente. TABLA 1 TABLA DE COMPARACION DE DATOS ESTADISTICOS79-84 CONCEPTO 79 81 82(6) 82 84(1) PROM. MIN. MAX. PROM. MIN. MAX. Al Pruebas de combustin y puesta a punto del Generador de VaporPgina 20 de 222 Direccin de Operacin Coordinacin de los CENACCentro Nacional de Capacitacin Celaya ASFALTENOS AZUFRE VANADIO NIQUEL SODIO T. INFLAMACION VISCOSIDAD % PESO % PESO ppm ppm ppm C SSF (50C) 5 3-3-.5 110 9-15 20-30 95-110 300-400 15 3.8 200 13 33.4 84 598 12 2.7 120 4 2.6 51 191 17 4.5 260 42 85 120 1537 13.2 3.4 184 13 31 95 453 3.8 2.3 82 1.2 4.8 66 57 18 4.4 328 43 57 146 1516 Al Pruebas de combustin y puesta a punto del Generador de VaporPgina 21 de 222 Direccin de Operacin Coordinacin de los CENACCentro Nacional de Capacitacin Celaya TABLA 2 PROPIEDADES PROMEDIO DE LOS COMBUSTOLEOS MEXICANOS (1982 1984) NOMBRE DE LA PROPIEDAD Agua por destilacin Agua y sedimentos Aromticos(% Peso) Asfaltenos(% Peso) Azufre(% Peso) Calcio(p.p.m.) Carbn Contadson(% Peso) Carbono(% Peso) Cenizas(% Peso) Cobre(p.p.m.) Fierro(p.p.m.) Gravedad Especfica(A.P.I) Hidrgeno(% Peso) Magnesio(p.p.m.) Niquel(p.p.m.) Nitrgeno(% Peso) Densidad 20/c (gr/ml) Poder Calorfico (Kcal/kg) Polar Poliaromticos (Kcal/kg) Potasio(p.p.m.) Saturados(% Peso) Sodio(p.p.m.) Temperatura de Inflamacin (C) Tensin Superficial 60 c (dina/cm) Vanadio(p.p.m.) Viscosidad a 50C(S.S.F.) Viscosidad a 60C(S.S.F.) Viscosidad a 82.2C(S.S.F.) CARACTERSTICAS 0.617 0.550 28.336 13.188 3.405 19.212 14.073 84.866 0.052 1.000 7.743 12.122 10.899 4.270 13.270 0.409 0.983 10.130 26.360 3.624 30.682 30.613 95.000 29.731 183.970 501.44 223.700 68.835 Al Pruebas de combustin y puesta a punto del Generador de VaporPgina 22 de 222 Direccin de Operacin Coordinacin de los CENACCentro Nacional de Capacitacin Celaya 5.-EFECTOSDELASPROPIEDADESDELOS COMBUSTOLEOSENLAOPERACINDELOS GENERADORES DE VAPOR. Enestecaptulosedescribenlaspropiedadesbsicasdeloscombustleos mexicanosy,en formasomera,losefectosquestas tienensobrela operacin de los generadores de vapor. 5.1 AGUA POR DESTILACIN, Y SEDIMENTOS. Estas dos determinaciones son, por lo general, equivalentes entre si, pero cuando la diferenciaesgrandeseconviertenencomplementarias.Comparativamente,un mayorvalordelaguapordestilacinindicaquepartedelaguaseencuentra emulsionada, mientras que un mayor valor del agua y sedimentos corresponde a la presencia de slidos en el combustleo. En el caso de los combustleos nacionales,salvo algunas excepciones, se obtuvieron resultados equivalentes. Solamente4%delasmuestrasanalizadasrebasanellmitede2%deaguay sedimentos especificados por PEMEX. Los resultados individuales permiten atribuir estas anomalas al transporte empleado (1). 5.2 DENSIDAD A 20C. Ladensidaddelosaceitesresidualeses,hastaciertopunto,dependientedel crudodeprocedencia.Aspues,larefinacindecrudospesadoshaproducido residuos de densidad muy alta, cercana a un gramo por centmetro cbico. Adems de ser un valor de diseo, la densidad del combustleo es de utilidad en ladeterminacindelgastodecombustible,yenlaeficiencia deungenerador de vapor.Estanimportanteconocerladensidada20Ccomosuvariacinconla temperatura; este punto ser tratado ms adelante. 5.3 TEMPERATURA DE INFLAMACIN. La temperatura de inflamacin es un valor importante para la seguridad durante el transporteyalmacenamientodelcombustleo.Cabehacernotarque,ala Al Pruebas de combustin y puesta a punto del Generador de VaporPgina 23 de 222 Direccin de Operacin Coordinacin de los CENACCentro Nacional de Capacitacin Celaya temperaturadeinflamacinnoseproducenecesariamenteunaflama autosensible, pero esto indica la formacin de mezclas inflamables. Elvalorquealcanzestapropiedadsemantuvoporarribadellmitemnimode especificacin,aunquepresentunagranvariabilidadynoseencontrrelacin alguna entre la temperatura de inflamacin y la presin de vapor del combustleo aesatemperatura(7).Estosdoshechosreflejanladiversidaddediluyentes empleados en la elaboracin del combustleo. 5.4 TENSIN SUPERFICIAL. Esta propiedad se relaciona con el trabajo que debeefectuarse para incrementar el rea especfica del combustleo durante la atomizacin. Dado que presenta una variacin pequea, la tensin superficial de los combustleos puede considerarse como constante. 5.5 VISCOSIDAD A 50C. Laimportanciadeestapropiedadestal,quesuvalora50Challegadoaser empleadoparadenominaralosaceitesresiduales(9).Sinembargo,esposible ajustar la viscosidad de los combustleos a un valor dado, mediante la adicin de pequeas cantidades de diluyentes, sin importar la naturaleza del residuo original, porloqueunabajaviscosidada50Cnocorrespondenecesariamenteaun combustleoideal.Decualquiermodo,loscambiosfuertesenlaviscosidadde lotealotedecombustleoobliganamodificarlascondicionesdeoperacinde una caldera. De1982a1984sedetectaroncombustleosconviscosidadesa50Cque variaronde57a1520SSF.Esteintervalodevariacinesmuygrande,sin embargolasvariacionesdentrodeuna mismareginson muchomspequeas, loqueindicaunaciertaregionalizacindeloscombustleosdesdeelpuntode vistadelaviscosidad.Estambinevidentelatendenciaaladisminucindelos valores de la viscosidad. Es necesario alcanzar viscosidades adecuadas para transportar el combustible por tuberas,ysumamenteimportantelograrlosvaloresdeviscosidadquepermitan unaeficazatomizacin,pasoinicialenelquemadodecombustleosenun generadordevapor.Paradisminuirlaviscosidadserecurrealcalentamiento;la viscosidaddelosaceitesresidualesdependefuertementedelatemperatura,por lo que se requieren mtodos que permitan estimar la viscosidad a una temperatura de inters a partir de mediciones a otras temperaturas. Se tratar este punto en el captulo siguiente. Al Pruebas de combustin y puesta a punto del Generador de VaporPgina 24 de 222 Direccin de Operacin Coordinacin de los CENACCentro Nacional de Capacitacin Celaya 5.6ANALISIS ELEMENTAL Y PODER CALORIFICO. Lacuantificacindelosprincipaleselementosdecombustleo(Carbono, Hidrgeno,Azufre,NitrgenoyOxgeno),permitencalcularelairetericamente necesarioparalacombustin,yelpodercalorficosinosedisponedeun calormetro para determinarlo experimentalmente. DelosresultadosestadsticospresentadosenlaTabla2ydelosresultados obtenidos para cada muestra (1), se desprende que: a) la dispersin de los datos contenidos de carbono e hidrgeno y del poder calorfico es pequea; b) el azufre yelnitrgenocontenidosenlosaceitesresidualesson,porotrolado,altamente dependientes del tipo y la procedencia del crudo. Losvaloresdelpodercalorficopresentadoscorrespondenadeterminaciones experimentales(porcalorimetra)delpodercalorficosuperior;elvalorpromedio es igual a 10.1 Kcal/g, mientras a partir de los promedios del anlisis elemental se obtiene un valor de 10.4 Kcal/g, sin considerar las correcciones por los calores de dilucin de SO2 y NOx producidos. Tal concordancia de resultados permite utilizar el anlisiselementalparaestimarelpodercalorficocuandostenopueda determinarse experimentalmente. Elazufremereceunaslneasaparte.Sonbienconocidaslasgraves consecuencias que acarrea un alto contenido de azufre. En muchos pases se ha prohibidoelusodecombustiblesconmsde3%deesteelementoporrazones ambientales.Porsuparte,solamenteel4%delasmuestrasdecombustleos nacionales analizadas de 1982 a 1984 contienen menos del 3% y el promedio de todas ellas es de 3.4%. Si se quemara un combustleo con 3.4% de azufre con el aire requerido por la extequiometra de las reacciones, y 2% de SO2 producido se oxidar a SO3, la concentracin de ste ltimo en los gases de combustin llegara a 43 ppm, que es un valor alto, ya que el punto de roco sera superior a 140C.Por otro lado, son compuestos formados a partir de vanadio, sodio y azufre los involucrados directamente en la corrosin a altas temperaturas de metal (10). 5.7 CENIZAS Y METALES. Silascenizasdelcombustleo fueraninertessuimpactoenlaoperacin de una calderasereduciraalensuciamientodeinferioresallmiteespecificado;no obstante la naturaleza de estas cenizas les confiere gran importancia. El vanadio y elsodiosonlosmetalesconstituyentesdelascenizasquemscontribuyenala corrosin en las zonas de alta temperatura de metal (10). Al Pruebas de combustin y puesta a punto del Generador de VaporPgina 25 de 222 Direccin de Operacin Coordinacin de los CENACCentro Nacional de Capacitacin Celaya Elvanadioformadepsitosdebajopuntodefusinquedisuelvenlacapa protectora de xido que desarrollan los aceros; adems estos depsitos catalizan la oxidacin del SO2 a SO3. Esteelementoesparteestructuraldealgunoscompuestosqueconformanlos asfaltenos,porloqueessumamentedifcilsueliminacindelcombustleo.La gran variabilidad en el contenido de vanadio encontrada de 1982 a 1984, se debe a que hay petrleo crudo cuyos asfaltenos contienen poco vanadio, mientras que, existenotrosenlosqueelcontenidodevanadiodesusresiduosasfaltnicoses muy alto. El contenido de nquel ha cobrado importancia con la utilizacin de crudo pesado cuyos asfaltenos, a parte de vanadio, contienen cantidades importantes de nquel. El Oxido de Nquel es buen catalizador de las oxidaciones por lo que sus efectos indeseablessonevidentes,aligualqueelcontenidodevanadio,eldenquel presenta una gran variabilidad. Elsodioformaconelvanadioyconelazufrecompuestosquedanlugaralos depsitosdebajopuntodefusinmencionados.Noobstantequelosvalores promedio (1) de azufre (3.4%), vanadio (184 ppm) y sodio (30.6 ppm) contenido en los combustleos son menores que los lmites mximos especificados. Debe tenerse en cuenta que las especificaciones, elaboradas por la GTP, reflejan larealidaddeloscombustleosmexicanos,conbaseenlocuallosfabricantes debendisear.Porlotantonoesextraoencontrarquecombustleoscon caractersticas similares a las de los valores promedios, que son inferiores, como yasedijo,aloslmitesmximosespecificados,provocanseriosproblemasde depositacin,ensuciamientoycorrosinenzonasdealtaybajatemperaturadel G.V. (11, 12). 5.8 FRACCIONES DEL COMBUSTOLEO. Losaceitesresidualessonmezclasmuycomplejas;paraestablecerrelaciones entresuspropiedadesysucomposicinseseparandeelloscuatrofracciones principales; asfaltenos, saturados, aromticos y resinas. Las definiciones de estas fraccionessonoperacionales:correspondenlasfracciones,apartesdel combustleo que se separan mediante cierto procedimiento bien establecido (13). Sepresentansiguiendolasecuenciadeseparacin:asfaltenos,saturados, aromticos y resinas. 5.8.1 Asfaltenos. Losasfaltenossedefinencomolafraccininsolubleenn-pentanoysolubleen benceno,sonprincipalmentesistemasdeanillosaromticospolinucleares Al Pruebas de combustin y puesta a punto del Generador de VaporPgina 26 de 222 Direccin de Operacin Coordinacin de los CENACCentro Nacional de Capacitacin Celaya condensadosconcadenasalqulicas(14),aunqueestbienestablecidala presenciadeporfirinas(15,16)alasqueseasocialamayorpartedelvanadio contenido en los asfaltenos. Unatercerapartedelazufreylatotalidaddelvanadiodelcombustleoestn contenidos en la fraccin asfaltnica (13). Se ha presentado evidencia (17) de que unapartedelvanadioestasociadaconelazufre.DicksonyPetratcis(16)jhan propuesto un arreglo del azufre alrededor del sistema VO para explicar el vanadio no porfirnico. Elaltocontenidodeasfaltenoseslerasgodistintivodeloscombustleos mexicanos(18).Sehaencontradounaestrecharelacinentreelcontenidode asfaltenosyelresiduocarbonosoobtenidoporpirlisisdelcombustleo(19).La figura1presentalosvaloresderesiduoscarbonososobtenidosenlapirlisisde unaceiteresidualdesalfaltenizado,alqueseaadierondiversascantidadesde asfaltenos;larelacinentreelporcentajedeasfaltenosenelcombustleoyel residuo resultante de la pirlisis es lineal. Una relacin igualmente estrecha guardan el contenido de asfaltenos y el carbn conradson.LanormaASTMD169-76queestableceelprocedimientopara determinarelcarbnconradsonexplicaquestemtodointentabrindaruna indicacindepropersinrelativaaformarcoque,esdecir,quesiamayor contenidodeasfaltenosseobtieneunvalormsaltodecarbnconradson,se puedeinferirqueestostienentambinunafuertepropersinalaformacinde inquemados. Debe hacerse notar que la determinacin del carbn conradson es en condiciones muy diferentes a las de la combustin en un generador de vapor, y que solamente brindaunaindicacincualitativa.Paraestablecerlascondicionesptimasde operacinconloscombustleosactuales,esimperativorealizarestudios cuantitativosdelosdiversosprocesosinvolucradosenlacombustin,ymuy especialmenteeslaatomizacinyladeterminacindelasconstantesde combustin. 5.8.2 Fraccin Saturada. Lafraccinsaturada,queconstituyealrededordel30%delcombustleo,est compuestaprincipalmentedeparafirmasdecadenalinealdesdeC10hastaC33, aproximadamente.Estnpresentesadems,enmenoresconcentraciones, cicloalcanos,olefinasyparafinasramificadas(13,20).Estoscompuestosse oxidan o queman con relativa facilidad, a diferencia de las otras fracciones (13). 5.8.3 Fraccin Aromtica. Al Pruebas de combustin y puesta a punto del Generador de VaporPgina 27 de 222 Direccin de Operacin Coordinacin de los CENACCentro Nacional de Capacitacin Celaya La fraccin aromtica, que constituyen aproximadamente el 28% de combustleo, contienecompuestosdeunoydosanillosbencnicosconramificaciones saturadaslinealesprincipalmente,tambincontieneunatercerapartedelazufre total de combustleo, que se encuentra, casi en su totalidad, en forma de tienos. Esta fraccin ofrece mayores dificultades de oxidacin que la saturada (13). 5.8.4 Resinas. Lasresinassepuedendefinircomoloquequedadespusdesepararlasotras tresfracciones.Contienencompuestoscon pesos molecularesquevande250 a 500unidadesdemasaatmicaoquizmayores(20).Estafraccinaprtauna tercera parte del azufre total del combustleo, y junto con la asfltica, la totalidad del nitrgeno. Lasresinassonalfraccin,queademspresentanunperfildeoxidacinms similaraldelcombustleo(13),aunquedesplazadoamayorestemperaturas,lo que indica que es ms difcil de oxidar. 6.-EFECTOSDELTIEMPODEALMACENAMIENTOYLA TEMPERATURAENLASPROPIEDADESDELOS COMBUSTOLEOS. ElcombustleodebetransportarsedelarefineraalaCentralTermoelctrica, dondesealmacenaporciertotiempoantesdeserquemado.Duranteel transporte,almacenamientoytrasiego,losaceitesresidualessesometena cambiosdetemperaturaquevarandesdetemperaturaambientehasta130Co ms. Es pues, de gran utilidad conocer los efectos del tiempo de almacenamiento y la temperatura en las diversas propiedades del combustleo. 6.1 EFECTOS DEL TIEMPO DE ALMACENAMIENTO. Seestudiaronloscambiossufridosduranteuno,dosytresmesesde almacenamientoa67Centrecemuestrasdecombustleosconvaloresde contenidodeasfaltenosyviscosidada50C,quecubrenlosintervalosde variacindelosaceitesresidualesactualmenteutilizadosporlaCFE(7).El contenidodeasfaltenos,ademsdeserelndicemsclarodeldeteriorodela calidad del combustleo ocurrido en los ltimos aos, junto con la viscosidad, son laspropiedadesqueexperimentaronloscambiosmsdrsticosduranteel almacenamiento. Enlafigura2segraficaelcontenidodeasfaltenosadiferentestiemposde almacenamientodealgunoscombustleos(7);losvaloresinicialesfueron Al Pruebas de combustin y puesta a punto del Generador de VaporPgina 28 de 222 Direccin de Operacin Coordinacin de los CENACCentro Nacional de Capacitacin Celaya cercanosa8%(A),10%(B),tendenciasprincipales:unadeincrementoslineales del contenido de asfaltenos, y la otra, de cambios asistticos. El tener uno u otro comportamientopareceserindependientedelcontenidoinicialde asfaltenos,por loquesuscausasdebenbuscarseenlascaractersticasestructuralesdelos aceites residuales, y en los diluyentes empleados durante la elaboracin de estos aceites (7). Las variaciones observadas no pueden atribuirse de ninguna manera a prdidas de masa de las muestras durante el almacenamiento. Elincrementoenelcontenidodeasfaltenosduranteelalmacenamientode combustiblesfsilesnoestcompletamenteentendido.Sehapropuesto(21-25) queloscombustiblessufrenunaoxidacinenlaqueparticipanfuertemente compuestosaromticos,acompaadadeunincrementodepesomoleculardel aceite.Sehablaadems(25,27)deataquebacterianoquepuedecambiarla estructura misma de las fracciones. Ambos procesos conduciran al incremento en el contenido de asfaltenos, aunque la biodegradacin estara acompaada de una prdida de masa del combustible, que no fue detectada durante el envejecimiento de combustleos mexicanos (7). La figura 3 presenta la variacin de la viscosidad a 50C durante el envejecimiento de los mismos combustleos de la figura 2. La semejanza en los comportamientos es sorprendente. Los mismos combustleos que presentan incrementos lineales en el contenido de asfaltenos,lospresentaenlaviscosidada50C.Lasmuestrasquepresentan comportamiento asinttico en la figura 3, lo muestran igualmente en la figura 2. 6.2EFECTOS DE LA TEMPERATURA EN LAS PROPIEDADES DEL COMBUSTOLEO. Latemperaturadelcombustleovaracercade100Cdurantesu almacenamiento, trasiego y calentamiento, anterior a la atomizacin, por lo que es necesarioconocerlavariacindepropiedadescomoviscosidad,densidad,calor especfico,coeficientedeconductividadtrmicaypresindevaporconla temperatura;tantoparaeldiseocomoparalaoperacinadecuadadelos equipos auxiliares de los generadores de vapor. Las fuentes ms usuales de estos datos (3, 27) ofrecen valoresy correlaciones obtenidas para derivados de crudos ligeros,quenosiemprecorrespondenalaspropiedadesdeloscombustleos nacionales.Enlosltimosdosaossehanpublicadovariosestudiosdelas propiedades de aceites residuales pesados (ver la revisin de Anal. Chem. 28). Comisin Federal de Electricidad ha financiado estudios de aquellas propiedades como funcin de temperatura (7, 29, 31). Aqu se presentan los resultados de dos propiedadesdegranimportanciaenlaoperacindeungeneradordevapor: Densidad y Viscosidad. Al Pruebas de combustin y puesta a punto del Generador de VaporPgina 29 de 222 Direccin de Operacin Coordinacin de los CENACCentro Nacional de Capacitacin Celaya 6.2.1 La densidad como funcin de la temperatura. Se ha encontrado (31) que la densidad de los combustleos mexicanos a diferentes temperaturas, se representan mediante la ecuacin: Donde: Esta ecuacin es aplicable de 20 a 180C, y a partir de ella pueden construirse la cartadelafigura4,quepermitelarpidaestimacindeladensidaddel combustleo a diversas temperaturas, partiendo de una sola medicin. 6.2.2 Viscosidad del combustleo como funcin de la temperatura. Paracalcularlaviscosidadcinemticadelosderivadosdelpetrleo,adiferentes temperaturas,generalmenteseemplealaecuacinempricadeWalter.La AmericanSocietyforTestingandMaterialshaadoptadodichaecuacincomo norma. Para utilizar la carta ASTM D341-74, construda a partir de la ecuacin de Walter, sedeterminaexperimentalmentelaviscosidadcinemticaadostemperaturas (comnmente50y60C),segraficanlosvaloresyseunenconunarecta,y, medianteextrapolacin,seestimalaviscosidadalatemperaturadeinters,o bien, la temperatura a la que el combustible alcanzar una viscosidad dada. En el estudiocomparativodeldesempeodelasecuacionesdeWalter,Andradey Fulcherenelajustededatosexperimentalesdelaviscosidadcinemticadelos combustleos mexicanos (30), se encontr que mediante la ecuacin de Walter y partiendodevaloresexprimentales delaviscosidadcinemticaa50y60C,se predicenvaloresdeestapropiedada120Cconsistentementemenoresquelos experimentales. En ese mismo trabajo se propuso la ecuacin emprica. (2) Donde: U =viscosidad cinemtica, (cst) ) )( 10 2 . 6 ( 1oot t x +=3/ , , cm g en densidad =o) ( , , , C referencia de a temperatur t =o3/ , , cm g en densidadt= ) ( , int , C ers de a temperatur t =Tt BA u) / 300 1 (ln2++ =Al Pruebas de combustin y puesta a punto del Generador de VaporPgina 30 de 222 Direccin de Operacin Coordinacin de los CENACCentro Nacional de Capacitacin Celaya T y T=temperatura en C y K respectivamente A y B=constantes. Empleando la ecuacin 2 se puede construir la carta de la figura 5. Medianteestacartapuedeestimarselatemperaturaalacualelcombustleo alcanzalaviscosidad adecuadaparalaatomizacin.Lasrectasconvergentesde lacartasonauxiliaresparaloscasosenqueslosecuentaconvaloresde viscosidad a una temperatura, aunque se recomiendan determinarla a 50 y 82.2C para mejor uso de la carta. Debetomarseencuentaquenosiempreesposiblealcanzarlatemperatura estimadamediantelafigura5,yquelosequiposexistenenlasCentrales Termoelctricasnohansidodiseadosparaelcombustibleempleado actualmente;yqueancuandoselogrelaviscosidadrecomendadaporel fabricante,nosegarantizaunabuenacombustin,yaqueloscombustleoscon mayor contenido de asfaltenos difieren de los ligeros en su constante de velocidad de combustin (8). REFERENCIAS 1.-A. Martnez, J.A. Ayala, G. Ruz, F. Garca, M. Segura, J. Plata, L.A. 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Al Pruebas de combustin y puesta a punto del Generador de VaporPgina 33 de 222 Direccin de Operacin Coordinacin de los CENACCentro Nacional de Capacitacin Celaya COMBUSTIN DE GENERADORES DE VAPOR Al Pruebas de combustin y puesta a punto del Generador de VaporPgina 34 de 222 Direccin de Operacin Coordinacin de los CENACCentro Nacional de Capacitacin Celaya 1.-INTRODUCCIN. La combustin puede definirse como una rpida combinacin qumica del oxgeno con los elementos combustibles o el combustible mismo, con desprendimiento de calor. Desdeel punto devistadecombustin,los elementosqumicosprincipalesenel combustible son tres: Carbono, Hidrgeno y Azufre. Elobjetivodeunabuenacombustinesliberartodoestecalor,minimizandolas prdidas por combustin imperfecta y aire innecesario; es decir, que mientras ms completa y limpia es la combustin, mayor es el calor producido y aprovechado y menor la contaminacin del aire. 2.-COMBUSTIN ESTEQUIOMTRICA. El oxgeno necesario para la combustin es suministrado por el aire atmosfrico y lacombinacinexotrmicadelmismoconelcombustibletienelugardeacuerdo con las siguientes reacciones principales: Lacombinacindedichoselementosmaseloxigenodalugaraotrocompuesto mas calor. C + O2 CO2 + Q (1) Carbono + OxgenoBixido de Carbono + Calor 2H2 + O2H2O + Q (2) Hidrgeno + Oxgeno Agua + Calor S + O2 SO2 + Q (3) Azufre + Oxgeno Bixido de Azufre + Calor De acuerdo con estas reacciones y considerando las composiciones del aire y del combustible,losconsumosdeoxgenoparalacombustinseobtienenmediante clculos estequiomtricos. Las cantidades expresadas en porcentajes en peso, de loselementosdelcombustiblesedeterminanmedianteanlisiselemental,yse utilizan para calcular la cantidad terica o estequiomtrica del aire requerido para la combustin.Primerosehaceunarelaciondepesomoleculardecadaelemento,del combustibleydelaire.Luegosesumaelpesomolecularmaseloxigeno.Ypor medio de una regla de tres se obtiene la cantidad de oxigeno (en peso molecular) Al Pruebas de combustin y puesta a punto del Generador de VaporPgina 35 de 222 Direccin de Operacin Coordinacin de los CENACCentro Nacional de Capacitacin Celaya requeridoparaquemarunapartedexelemento.Ahoraparaobtenerlacantidad de aire tericamente necesario para la combustin usaremos el mtodo de pesos; se multiplica la fraccin de peso (% peso/100) por la relacin (cantidad de oxigeno requerida para quemar x elemento). El calor liberado (Q) es: 7,837 Kcal por Kg de carbono quemado, 33,874 Kcal por Kg de hidrgeno y 2,212 Kcal por Kg de azufre y son estos tres elementos los que proporcionan la energa trmica til durante la combustin. Cuandoserealizalacombustinysloseobtienenproductossinquedar combustible u oxgeno libre, se tiene una combustin estequiomtrica. Larelacinenpesoesposibleobtenerlautilizandolospesosatmicosy molecularesdecadaelemento,tantodelcombustiblecomodelaire,deacuerdo con al tabla siguiente: COMBUSTIBLE ELEMENTOSIMBOLO PESO ATOMICO P E S O MOLECULAR CarbonoC1212 HidrgenoH12 AzufreS3232 AIRE ELEMENTOSIMBOLO PESO ATOMICO P E S O MOLECULAR OxgenoO21632 NitrgenoN21428 Los gases siempre aparecen en grupos de 2 tomos en el estado libre (de aqu las variaciones en la Tabla Anterior). 2.1ESTEQUIOMETRIA DE LOS ELEMENTOS REACTANTES. CARBONO: 12 partes en peso de carbono cuando est completamente quemado, requieren32 partesenpesode oxgeno, formando44partesen peso debixido de carbono. C+O2 CO2(1) 12 + 32 44 HIDROGENO:4partesdeHidrgenorequieren32partesenpesodeoxgeno, formando 36 partes en peso de agua. Al Pruebas de combustin y puesta a punto del Generador de VaporPgina 36 de 222 Direccin de Operacin Coordinacin de los CENACCentro Nacional de Capacitacin Celaya 2H2 + O22H2O 4 + 32 36 AZUFRE:32partesenpesodeazufrerequieren32partesenpesodeoxgeno para formar 64 partes en peso de bixido de azufre. S + O2 SO2 32 +3264 Con las relaciones en peso anteriores, se obtienen los requerimientos unitarios de oxgeno por elemento. EJEMPLO DE CLCULO: C+ O2 CO2 (1) 12 + 3244 Por medio de una relacin de tres-simple, se tiene que para quemar una parte de carbn se necesitan 2.67 partes de oxgeno. 12 - 32 1- X ElclculodelasrelacionesparaH,S,etc.Seefectademanerasimilar,conlo cual se obtiene la siguiente tabla de valores. ELEMENTOOXIGENO ( O2/A )RELACION C 32 12 2.67 H 32 4 8.0 S 32 32 1.0 KgCKgOELEMENTOrequerido OX2 267 . 21232= = =Al Pruebas de combustin y puesta a punto del Generador de VaporPgina 37 de 222 Direccin de Operacin Coordinacin de los CENACCentro Nacional de Capacitacin Celaya N*NO REACCIONA- Existenvariosmtodosparacalcularlacantidaddeairetericamentenecesario paralacombustin.Aquusaremoselmtododepesos.Supongaquesedesea calcularelairetericorequeridoparaquemaruncarbncombustibleconel siguiente anlisis. ELEMENTOPESO (%) C83.39 H4.56 S0.64 O5.05 N1.03 Cenizas5.33 Efectuandoelclculoenformadetabla,seobtienela informacin siguiente: ELEMENTO FRACCION (% PESO/100) RELACION (02/A) REQUERIDO (O2) C0.83392.672.2237 H0.04568.00.3648 S0.00641.00.0064 O0.0505DISMINUYE (O2)-0.0505 N0.0103INERTE- CENIZAS0.0533INERTE- TOTAL2.5444 Kg O2/Kg C Como resultado es que para quemar completamente 1 Kg de carbn combustible, serequieren2.5444Kgdeoxgeno.Ahorasedebetenerquecantidaddeaire necesitasparaquetengaesacantidaddeoxigeno,dividiendo1kgO2/0.232kg O2/kg (0.232 es la cantidad de oxigeno contenido en el aire). Se multiplicara los kg de oxigeno por los kg de aire a necesitar par obtener los kg aire por carbn. Y si serestalacantidaddecenizas1-cenizasenfraccinpeso),tendremosloskg producidos por carbn. Este oxgeno proviene del aire el cual para, fines prcticos se compone de 23.2% de oxgeno y 76.8% de nitrgeno en peso. Al Pruebas de combustin y puesta a punto del Generador de VaporPgina 38 de 222 Direccin de Operacin Coordinacin de los CENACCentro Nacional de Capacitacin Celaya Por lo tanto, para obtener 1 kg de O2 se requieren: Los requerimientos para el presente caso son: Esto simplemente expresa que, si fuera posible mezclar completamente el aire con 1 Kg. de este carbn durante la combustin, todo el Carbono, Hidrgeno y Azufre seran completamente quemados y no quedara oxgeno. El material que abandona la zona de combustin sera: 10.966 Kg aire + (1 0.0533) Kg carbn = 11.913 Kg gas/Kg C Suponiendo que la ceniza permanece en las tolvas colectoras de slidos. 2.2 ESTEQUIOMETRIA DE LOS PRODUCTOS. Confrecuenciaesnecesariodeterminarelvolumenyotraspropiedadesdelos productosgaseososqueseformandurantelacombustin.Estosgasesse expandenysecontraensiguiendolaleygeneraldelosgases(seconsideraque losgasestienenuncomportamientoideal),queseexpresadelasiguiente manera. DONDE: N = gramos-mol, kg-mol Ton-mol de cada gas. 22/ 3103 . 4/ 02 232 . 01O Kg aire Kgaire Kg KgO Kg=C Kgaire KgO Kgaire KgC KgO Kg9672 . 10 ) 3103 . 4 ( ) 5444 . 2 (22=ConstanteTPVA TEMPERATURVOLUMEN PRESION= =) ( ) (nRTV PTV PTPV= = =22 211 1) (..8314 gases de Universal Constantemol Kg KM JR =Al Pruebas de combustin y puesta a punto del Generador de VaporPgina 39 de 222 Direccin de Operacin Coordinacin de los CENACCentro Nacional de Capacitacin Celaya EJEMPLO:Sedeseaconocerelvolumenqueocupan3.057gramosdeCO2 A 300C y presin atmosfrica. CLCULOS: Despejando el volumen y sustituyendo datos en la ecuacin (4) se obtiene: V = 0.000326m3 = 3.26 lts Enrealidad3.057gramoseselpesodeCO2formado,enelproblemade combustinquehemosdiscutido(supondremosquesequemaron0.8339grde carbncon2.2237gr.deoxgenoyseobtuvocomoproducto3.057gramosde CO2). Demanerasimilarseefectanlosclculosdelosdemsproductosde combustin, basados en las reacciones de combustin. REACTANTES PRODUCTOS C 0.8339 + + O2 2.2237 CO2 3.057 2H2 0.0456 + + O2 0.3648 2H2O 0.4104 2 322. 181 . 9110000 033 . 1Prseg KgfKgmxmcmxcmKgfp esin = =3 2 2337 , 101..337 , 101mJseg mm Kgp = =Mmmolecular pesomasan = =mol Kg mol grmol gr grgrn . 000069 . 0 0695 . 0. / 44057 . 3= = =2337 , 101) 273 300 ( ) 8314 ( ) . 00006 . 0 (mJKmol Kg KJmmol KgPT R nV+= =Al Pruebas de combustin y puesta a punto del Generador de VaporPgina 40 de 222 Direccin de Operacin Coordinacin de los CENACCentro Nacional de Capacitacin Celaya S 0.0064 + + O2 0.0064 SO2 0.0128 N2 (Comb.) 0.0103 + + N2 (aire) (10.966 x 0.768) No reacciona 8.4322 Con los datos anteriores y la ecuacin (4) se elabora la tabla de resultados. PRODUCTO MASA (gr) PESO MOLECULAR VOLUMEN Lts. A 300C CO23.0570443.26 H2O0.4104181.07 SO20.0128640.009 N28.43222814.16 TOTAL18.50 lt/gr C 2.3 CALOR LIBERADO POR EL COMBUSTIBLE. A continuacin se presenta una Tabla con las reacciones de combustin y el calor liberado por cada constituyente del combustible. COMBUSTIBLE CARBONO HIDROGENO AZUFRE REACCION C + O2 -- CO2 *2C + O2 -- 2CO 2H2+ O2 -- 2H2O S + O2 -- SO2 PESO MOLECULAR 12 + 32 = 44 24 + 32 = 56 4+ 32 = 36 32 + 32 = 64 CALOR LIBERADO 7828Kcal/Kg 2198Kcal/kg 33866Kcal/Kg 2220Kcal/Kg Elmonxidodecarbonoesunproductoindeseable,formadoporlaineficiente combustin del carbono. El monxido de carbono adems de que significa prdida deenerga,estambincausantedeensuciamientodelacaldera,peligrosoy contaminante. 3.COMBUSTIN CON EXCESO DE AIRE. En sistemas reales de combustin es necesario un exceso de oxgeno para llevar acaboenformacompletalasreaccionesdecombustin.Estosignificaquese requiere una cantidad de aire mayor que la calculada estequiomtricamente. Al Pruebas de combustin y puesta a punto del Generador de VaporPgina 41 de 222 Direccin de Operacin Coordinacin de los CENACCentro Nacional de Capacitacin Celaya Larazndeutilizarciertoexcesodeaire,sedebealadificultaddelograrun contactoperfectoentrelasmolculasdeoxgenodelaireylaspartculasdel combustible a ser oxidadas. Esteexcesodeaireestdestinadoaasegurarunacombustincompletay,por tanto, evitar la presencia de productos de combustin incompleta. En generadores devapor,sinembargo,lautilizacindeexcesosdeaireelevadosprovoca disminuciones en la eficiencia del equipo, ya que el aire que est en exceso debe ser calentado a expensas del calor liberado por la combustin. Esto provoca una disminucindelatemperaturadelaflamayunincrementodelamasadegases de combustin, lo que a su vez determina que se pierda ms calor con los gases que escapan por la chimenea de la caldera. Paraelanlisisdelcomportamientodesistemasdecombustin,usualmentese mide la concentracin de oxgeno en gases de combustin, indicando este valor el porcentaje que no particip en la reaccin y que por lo tanto est en exceso. Este porcentaje est relacionado con el exceso de aire de combustin y se representa como (O2). La relacin entre la concentracin de (O2) en gases de combustin y el excesodeairedependedelacomposicindelcombustibleypuedededucirse mediante consideracin estequiomtricas. Matemticamente el exceso de aire se puede expresar por: Donde: EA=Exceso de aire, (%) 3.762=Factor que considera el Nitrgeno presente en el aire. Fc=Factordecombustinquedependedelcombustibleutilizado (Paracombustleo es aprox. 0.73). (O2)=Concentracin de oxgeno en gases de combustin, /V%) 20.9=Concentracin de oxgeno en el aire atmosfrico, (%vol). Otra expresin que se utiliza con frecuencia es: ) 6 () 9 . 20 () ( ) 9 . 20 ( ) 762 . 3 (22OO FcEA+=) 7 (TEORICO AIRETEORICO AIRE USADO AIREEA=Al Pruebas de combustin y puesta a punto del Generador de VaporPgina 42 de 222 Direccin de Operacin Coordinacin de los CENACCentro Nacional de Capacitacin Celaya Comoejemplo:Siparaquemar1Kgdelcarbncombustible,queseanalizenel captulo anterior, fueron requeridos 12.0 kg de aire, el % de exceso de aire es: El aire total requerido ser: 100 + 9.4 = 109.4 % 4.LA MECNICA DE LA COMBUSTIN. Aunquelacombustinesenteramenteunareaccinqumica,lamayoradelos problemasquecomprendesonmecnicos.Elcombustibledebeprepararsepara quemarlo,debeentrarencontactoconsuficientecantidaddeoxgenopara asegurarquelacombustinseacompleta.Cadaunadelasetapasde preparacin,mezclaycombustinseejecutanpormediodedispositivos mecnicos. Ningncombustiblepuedeardersinoes,osevuelvegas,laceranoardesino tiene mecha, la cual es en realidad un dispositivo para prepararla para arder.Si se aplica un fsforo a la cera,se derretir un poco de cera, pero el poco calor de la llamadelfsforonoessuficienteparaproducirsuficientegasdeceraque produzca la combustin. Cuando se coloca la mecha, la cera que sube por accin capilar hasta la punta de la mecha, es en cantidad adecuada para producir el gas enformadellama.Unavezqueseenciendelamechaelprocedimientoes continuoporquelamismallamaproduceelcalorsuficienteparaderretirlacera segn sube por la mecha. (Fig. 1). Cuandoloscombustiblessongaseososnorequierenpreparacininicial.Estos combustibles slo requieren una adecuada mezcla con oxgeno para mantener la combustin completa. Los elementos esenciales para los combustibles son el carbono y el hidrgeno. El azufreyalgunoselementosarden,peronosonimportantescomocombustibles. Tantoelhidrgenocomoelcarbonotienenmuyaltovalorcalorfico.Estos elementosbsicosdeloscombustibles,sehallanenmuchascombinaciones,las queseconocencomohidrocarburos,algunosdeloscualesnormalmenteson gases, otros lquidos y otros slidos. Lacombustincompletadelhidrgenoodelcarbonorequiereciertacantidadde oxgeno.Elanlisisqumicodelcombustibleindicalascantidadesrelativasde % 4 . 9 10097 . 1097 . 10 0 . 12== x EAAl Pruebas de combustin y puesta a punto del Generador de VaporPgina 43 de 222 Direccin de Operacin Coordinacin de los CENACCentro Nacional de Capacitacin Celaya hidrgeno y carbono que contienen, de modo que tambin la cantidad de oxgeno que se requiere para una buena combustin. El oxgeno se suministra en forma de aire,elquecontieneunacantidadconocidadeoxgeno.Sisesuministrala cantidadcorrectadeaire,entoncessetieneunamezclaperfecta.Sise suministrademasiadoairelamezclaesliviana,ysisesuministrapocoairela mezcla es excesiva. Paratodosloscombustiblesmencionadoshayunalcanceentreelmximoyel mnimo dentro del cual se considera que la combustin es adecuada. Estos lmites son conocidos como los lmites de combustin. 4.1 EL CALOR REQUERIDO. Anconunaperfectamezcladecombustibleyairenoseproducebuena combustinsinosecuentaconotrofactorqueeselcalor.Elcaloracelerala reaccinqumicaentreelaireyloselementosdelcombustible.Unavezqueel calor es adecuado para mantener la reaccin qumica, ya no se requiere calor del exterior y la combustin es automtica. Esta condicin es conocida como el punto de inflamacin. En este punto el calor que producen las reacciones qumicas de la combustin, ya es mayor que el que se pierde en el medio que rodea el fuego. 4.2 LO ESENCIAL DE LA MEZCLA. Elproducirlamezclaadecuadadeaireycombustible,ascomolatemperatura correcta, dentro del horno, es lo que produce algunos de los problemas mecnicos mencionados anteriormente. Supngasequeseintroducelacorrectacantidad degasyaireal hogar,perono seponeintersenquesemezclen.Enalgunospuntosdelhogarhabrmucho aireypocogas.Estoharqueenunapartedelhogarnopuedahaber combustin, y en otra la combustin no sea completa. An con buena mezcla las proporciones relativas de gas y aire varan de un lado del hogar a otro, por eso se suministramsairedeltericamenterequerido.Elexcesodeaireaseguraque aunquelarelacinnoesexacta,siemprehabrsuficienteaireparaproducir combustin completa (Fig. 2). Enloshogaresenqueelgasyelairecambianrpidamenteporefectodela combustin, el gas sufre cierto fraccionamiento qumico. El carbono que estaba en los compuestos qumicos queda libre en forma de partculas las cuales se vuelven incandescentesyhacenvisibleelfuego.Cadapartculaestrodeadaporuna capa microscpica del CO2 y CO producidos por la reaccin del oxgeno en el aire. La corriente de aire limpia dicha capa y deja expuesta la partcula de carbono de modoquepuedaquemarseanmshastaquelapartculaseconsumepor completa (Fig. 3). Al Pruebas de combustin y puesta a punto del Generador de VaporPgina 44 de 222 Direccin de Operacin Coordinacin de los CENACCentro Nacional de Capacitacin Celaya 4.3 EL TIEMPO REQUERIDO. Estointroduceotroimportantefactorenlacombustin,eltiempoquemado.Esto se manifiesta en todas las etapas mencionadas:La mezcla, la primera aplicacin delcalor,latemperaturadeinflamacinyelbarridodelascapasdeCO2yCO requieren cierto tiempo para efectuarse. No importa lo ideal de la mezcla original y la temperatura a que est, si el combustible choca contrala superficie fra dentro del hogar, la combustin termina y se forma holln. (Fig. 4). Elhollnqueescasicarbonopuro,separeceensucomposicinalnegrodel humo.Generalmenteessuave,sueltoytienealgodealquitrn.Partedelholln sale del hogar con los gases de escape, de modo que es evidente la importancia de dar suficiente tiempo a la etapa de combustin. En la prctica, en los hogares lamezclaylacombustinocurrenmientraselcombustibleyelairepasandel quemadoralasalidadelhornoodelhogar.Eltiempodisponibledependedela distanciaquetienenquerecorreryeltiempoenquelarecorren.Estoimplicala importanciadeteneradecuadovolumenenelhogar,ylaposicinquedebern tener las superficies fras con respecto a la trayectoria de las llamas, as como los medios empleados para producir la turbulencia. Por turbulencia se entiende la condicin en que el combustible y el aire se mueven en forma de remolinos en vez de lnea recta, entre el quemador y la salida final, lo cual se logracon una aerodinmica adecuada para cada tipo de quemador. Esto tiene muchos buenos efectos (Fig. 5): 1.-Aumenta el tiempo durante el cual puede ocurrir la combustin. 2.-Se obtiene mejor mezcla del aire y del combustible. 3.-El aire y el combustible tienen alta velocidad relativa entre s. Losmismosprincipiosdescritosparaelgassonaplicablesalcarbnypetrleo, perodebidoaqueestosestnmenoslistosparacombustininmediata,se presentanproblemasadicionales.Conelpetrleo,porejemplo,esnecesario cambiarlodelquidoagasenlaboquilladelquemador.Estorequierede atomizacin,esdecir,elcombustibletienequeserdivididoenpartculasmuy pequeas, para que el calor en el interior del hogar pueda convertirlas en gas. 4.4 ATOMIZACIN. El tener una combustin completa y el mximo aprovechamiento de la misma, est basadoenrealizarunamezclatotalyhomogneaentreelcombustibleyel oxgenorequerido porelproceso.Enloscombustibleslquidos, esta mezclaslo puede lograrse si las caractersticas del fenmeno de atomizacin de los mismos Al Pruebas de combustin y puesta a punto del Generador de VaporPgina 45 de 222 Direccin de Operacin Coordinacin de los CENACCentro Nacional de Capacitacin Celaya satisfacenlosrequerimientosdeunaseriedereaccionesqumicasentreel oxgeno y los elementos constituyentes del combustible (Fig. 6). Unaatomizacinqueproduzcauntamaoexcesivodelasgotasdificultarla combustin(oxidacin),motivandoasunnmeroelevadodepartculas inquemadas, que representarn una gran superficie donde podrn efectuarse, con relativafacilidad,reaccionestalescomolaconversindeSO2aSO3yel consiguientedeterioro(corrosin)dealgunoscomponentesdelacaldera,porla posteriorconversinacidosulfrico(H2SO4).Paratenerunaideadela importancia de la atomizacin, se ha encontrado que un incremento promedio del 3%deldimetrodelasgotasproducidasporunatomizadorhacequeaumenten en un 20% las partculas inquemadas. Cuandoellquidoseacercaalfrentedelaflama,lasgotasseempiezana evaporardebidoalcalortransmitido,mayormenteporradiacin,desdelaflama (Fig. 7). Las gotas pequeas tienen el tiempo suficiente para evaporarse antes de llegaralfrentedelaflamayelvapordelcombustiblesemezclaconelairede combustin,quemndosecomounaflamapremezclada.Lasgotasgrandesno tieneneltiemposuficienteparaevaporarseysequemanindividualmente, formndoseunaflamadedifusin.Aestacombustinindividualdegotas,varios investigadoresatribuyenlaformacindehollny,parareducirlaformacinde ste, explican que es necesario que la velocidad relativa entre gotas y aire exceda unaciertavelocidadcrtica(velocidaddeextincin),queestdeterminadaporel tamao de las gotas y la composicin del aire de combustin. Elobjetivobsicodelaatomizacinconsisteenaumentarelreasuperficialdel lquido,intensificandolavaporizacinparaobtenerunamejordistribucindel combustibledentrodelacmara,asegurandodeestamanerael fcilacceso del oxidante a una gran cantidad de gotas (Fig. 6). Elmecanismodeformacindegotasdependedelaspropiedadesfsicasdel lquidoaatomizarydelmedioambiente,ascomodeltipodeatomizador.Las propiedadesfsicasquemsinfluyenenlacalidaddeatomizacinsonla viscosidad y la tensin superficial. Laviscosidaddellquidodificultalaformacindegotasentodassusetapas,en tanto que la tensin superficial no permite la formacin de lminas pero ayuda a la formacin de gotas despus de que la pelcula se ha roto. El tamao de las gotas producidas aumenta con la viscosidad del combustible (a mayor viscosidad, gotas ms grandes). Los lquidos atomizados se presentan bsicamente en dos formas: 1.-Forma plana o de abanico.- En sta, las gotas estn distribuidas a lo largo de una banda estrecha (Fig. 8A). Al Pruebas de combustin y puesta a punto del Generador de VaporPgina 46 de 222 Direccin de Operacin Coordinacin de los CENACCentro Nacional de Capacitacin Celaya 2.-Forma cnica. a)Conohueco.-Lasgotasseencuentranenlasuperficiedelcono abandonando su centro, el cual queda prcticamente sin gotas, sobre todo cercadelorificioatomizador.Enfichasdeorificiopequeo,paraflujos mayores de 40 l/hr, el cono se transforma en cono slido, debido a que las gotas entran al cono por induccin de aire (Fig. 8B). b)Conoslido.-Enestecaso,elvolumentotaldelconolollenanlasgotas del lquido atomizado, el cual tiene una distribucin uniforme (Fig. 8C). Enlafigurasemuestralasecuenciadeformacindegotasenfuncindela presin de trabajo. Se observa que a baja presin, el lquido forma un borbolln y en la figura b, se puede ver que con un incremento en la presin, el borbolln se abreparaformarunconohueco.Enlasfigurascyd,senotaqueparaun incrementoadicional,lasuperficiecurvaseabreylaregindesintegradase muevehaciaelorificio.Lapresinalacualocurrenestasetapasdepende principalmentedeldiseodelaficha.Enlafigura10semuestraunsprayen completo desarrollo. 4.5 ATOMIZADORES. Lafuncindelosatomizadoresesinyectarelcombustibleenlacmarade combustinenformadepequeasgotasconvelocidadytrayectoriastalesque propicien un buen mezclado con el aire de combustin. Un lquido sumamente viscoso debe calentarse para facilitar su transporte y en el casodelcombustibletambin,parafacilitarsuatomizacin.Sinembargo,debe tenerseencuentaquelatemperaturadelaceiteresidualnopuedeaumentarse indiscriminadamente, puesto que puede sufrir degradaciones trmicas que alteren sus propiedades e incluso que ocasionen carbonizacin del combustible. 4.5.1 Atomizadores con vapor Termoelctrica JDBP Losatomizadoresconvaporsonlosmsampliamenteusados.Operanconel principiodeproducirunaemulsindevaporcombustible,locual,cuandoes liberadadentrodelhogaratomizaelaceitemediantelarpidaexpansindel vapor.Elvapordeatomizacindebeestarsecoporquelahumedadocasiona pulsaciones que pueden conducir a la prdida de la combustin. Lapresindelvaporydelaceiteesmuchomsbajaqueparalosatomizadores mecnicos: A la vez, esta presin es dependiente del diseo del atomizador. Al Pruebas de combustin y puesta a punto del Generador de VaporPgina 47 de 222 Direccin de Operacin Coordinacin de los CENACCentro Nacional de Capacitacin Celaya Elatomizadordevaporfuncionamseficientementesobreunmayorrangode carga que otrostipos de atomizadore