combustion

COMBUSTIÓN 1. – LA ENERGÍA Se define como la capacidad que tiene un material o un sistema para realizar un trabajo. Se puede manifestar de seis formas: 1. Energía Mecánica (agua corriente, tracción de un vehículo, fuerza de una prensa). 2. Energía térmica (vapor, llama de gas, calor). 3. Energía Química (reacción química, proceso de quemado, explosión). 4. Energía eléctrica (batería, pila, dinamo, alternador, rayo). 5. Energía electromagnética (radiación solar, de luz, electromagnética). . Energía Nuclear (fusión o fisión nuclear). Svipe View next pase En un sistema ideal c anifestación de la e otras, con la suma co energía). Sin embarg durante un proceso rendimiento. 6 tante de rmas de marse de unas a servación de la a de energía ocurre nto se reduce el Los elementos naturales portadores de energía, tales como el carbón, gas natural, petróleo, radiación solar, energía del agua, entre otros, se conocen como fuentes de energía primarias.

Los portadores de energía se diferencian por el contenido de energía, lo cual se describe como la cantidad de energía que puede liberarse a partir de cierta cantidad de material, cuando se produce la combustión total. La energía que se obtiene de la transformación de éstas se conoce como fuentes de energía secundarias: electricidad, calor, etc. La unidad de energía es el Joule O), ésta unidad debe su nombre en honor a físico Ingles James Prescott Joule. 1 kg de: Natural (1 m3) 31,7 Petróleo 42,6 Gasoil 42,7 Gasolina 43,5 Comparando con 1 kWh. 2. LA COMBUSTION La combustión es un proceso de reacción química exotérmica automantenida, el cual se realiza por conducción de calor y difusión de especies, debido a la conversión de la energía química primaria contenida en los combustibles, en calor (energía ecundarla) a través de un proceso de oxidación. La combustión es uno de los procesos unitarios más estudiados en donde se realiza la oxidación del carbono, el hidrógeno y el azufre de una sustancia a través de la reacción directa con el oxígeno y con un notable desprendimiento de calor (emisión de energía).

Los procesos de combustión se realizan a temperaturas elevadas (1000 0C o más). El oxigeno necesario para la combustión se suministra como parte del aire de combustión suministrado para el proceso. Junto al volumen considerado de los gases de salida (gases de combustión), dependiendo del tipo de combustible, se roduce una cierta cantidad de residuos (cenizas). El proceso de combustión es el más importante de la Ingeniería porque todavía hoy (aunque está disminuyendo) la mayor parte de la producción mundial de energía se hace por combustión de petróleo, gas natural y carbón.

La combustión es un proc nerar porque genera 26 mucha entropía por lo ta vestimenta y el oxigeno del aire ambiente) en equilibrio metastable, y a veces basta con forzar localmente la reacción (con una chispa) para que se autopropague, normalmente formando una fuente luminosa (llama). EL PROCESO DE COMBUSTIÓN ES DIFíCIL DE ANALIZAR POR LOS SIGUIENTES MOTIVOS: – Es un proceso multidisciplinario (termoquímico-fluido dinámico) fuertemente acoplados. – Los procesos de transporte de especies y calor (fenómenos de no equilibrio) son dominantes. La fuerte exotermicidad da lugar a altas temperaturas, enormes gradientes (llama) e importantes fuerzas de flotabilidad por dilatación diferencial. – Los enormes gradientes espaciales y los cortos tiempos de residencia en ellos provocan estados de no equilibrio loca (quimiluminiscencia, ionización). EL CARÁCTER MULTIDISCIPLINARIO DEL PROCESO DE COMBUSTION, DEMANDA UN VASTO SOPORTE DE CIENCIAS BASICAS: La termodinámica, que estudia si el proceso es viable y predice la composición final, la energía liberada y la temperatura alcanzada en equilibrio. La cinética química, que trata de predecir el mecanismo detallado de la reacción, la velocidad de reacción, el porqué se producen radicales luminosos e ionización, etc. – La transmisión de calor y masa, que enseña cómo se difunde la energía térmica y las especies. – La mecánica de fluidos, que, con los datos anteriores, enseña a establecer los balances de flujo apropiados para permitir, al menos teóricamente, abordar la solución del problema.

Este amplio soporte necesario para el análisis científico de la combustión es la causa de os casos se renuncie a él V se limite el estudio a u n fenomenológica de las renuncie a él y se limite el estudio a una descripción fenomenológica de las características de la combustión (tipos de combustibles, preparación de la mezcla, tipos de llamas, tipos de quemadores, dispersión de contaminantes) y de algunos sistemas prácticos (cámaras de combustión continua, cámaras de combustión intermitentes).

LAS APLICACIONES DE LA COMBUSTION SE PUEDEN RESUMIR EN: – Calefacción de habitaciones (hogueras, estufas, calderas). Producción de electricidad (centrales térmicas). – Propulsión (motores alternativos, turbinas de vapor, turbinas de gas). – Procesamiento de materiales (reducción de óxidos, fundición, cocción). – Eliminación de residuos (incineración de basura). – Producción de fr[o (frigoríficos de absorción). – Control de incendios (barreras cortafuegos, materiales ignífugos). – Iluminación (hasta finales del siglo XIX era el único método de luz artificial). . – TIPOS DE COMBUSTIBLE Las reacciones típicas de combustión suelen tener lugar entre los combustibles fósiles y el oxigeno del aire, sin embargo, una eacción natural puede adquirir, bajos ciertas condiciones de contorno (temperatura, presión, composición, catalizadores), el aspecto de una combustión, es decir, generar energía térmica y especies activas a tal velocidad que la reacción se autopropague. Los combustibles, pueden clasificarse en naturales o primarios y artificiales o secundarios, estos a su vez se pueden clasificar en sólidos, líquidos o gaseosos.

Según esta clasificación tenemos: 3. 1 Naturales o primarios: – Sólidos: Carbón, madera e biomasa, aunque 4 26 pueden incluirse metales ( ara destello térmico o ueden incluirse metales (solo se usan para destello térmico o luminoso, debido a su alto costo). El uranio también se incluye dentro de los combustibles sólidos, sin embargo, vale aclarar que no se produce un proceso de combustión sino de degradación radiactiva. – Líquidos: Petróleo y sus derivados. – Gaseosos: Gas Natural y gases licuados provenientes del petróleo (GLP). 3. Artificiales o secundarios: – Sólidos: Coque (destilado de la hulla), carbón vegetal (destilado de madera a unos 250 0C), aglomerado de carbón mineral (ladrillos de aglomerado de menudo de hulla con brea), biomasa esidual (basura y desagües humanos, estiércol, paja, etc). Líquidos: Alcoholes (destilados de biomasa), aceite de nafta y benzol (destilados del petróleo). – Gases: Destilados de madera (gas pobre compuesto de CO e H2), destilados de la hulla, destilados de la naftas del petróleo. Los aparatos utilizados para producir gas artificial se llaman gasógenos.

Actualmente se está investigando y en desarrollo la producción de hidrógeno artificial, por descomposición térmica del vapor de agua. Es importante conocer la composición de un combustible, para obtener un proceso de combustión óptimo y económico. Aumentar el porcentaje de componentes de combustibles inactivos, reduce tanto el poder calorífico neto como bruto y aumenta la contaminación. Incrementar el contenido de agua, aumenta el punto de rocío, por lo tanto se consumirá parte de la energía generada para evaporar el agua de los gases de combustión.

El azufre contenido en el combustible se quema/ oxida a S02 (Dióxido de azufre) y S03 (trióxido de azufre), por lo que a temperaturas inferiores a la del punto de rocío, puede pro s 6 (trióxido de azufre), por lo que a temperaturas inferiores a la del punto de rocío, puede provocar la formación de ácidos sulfúricos ulfurosos agresivos. 3. 3 Propiedades relevantes de los combustibles. – La composición y contenido de impurezas. – La entalpia estándar de reacción (Poder calorífico, en valor absoluto). – La densidad, viscosidad y coeficiente de dilatación (para el transporte y almacenamiento). Entalpía de vaporización. – La presión de vapor (Conviene que sea alta para que no haya que gasificar artificialmente). – Los límites de ignición (por chispa), autoinflamación y extinción. – La toxicidad y la compatibilidad con otros materiales (tubos, válvulas, juntas, bombas, etc. ) – En los carbones es importante la granulometría, el contenido de umedad y las cenizas. – El fuelóleo hay que precalentarlo para que fluya bien y se atomice mejor. – Un alto contenido de azufre puede hacer inservible un combustible. El manejo de los GLP requieren de depósitos a presión y es caro, requieren ventilación de seguridad al ser su densidad mayor a la del aire. Sin embargo, su uso es limpio y no contamina. – El gas natural no es cómodo de almacenar, ya que necesita depósitos criogénicos y hay que canalizarlo, lo que implica altos costos en infraestructura. 3. 4 Plantas de Combustión. Las plantas de combustión son generadoras de calor a partir del uemado de combustibles sólidos, líquidos o gaseosos. Se utilizan en diferentes tareas, tales como: – Calefacción (plantas de c efacción general). 26 – Generación de energía el vapor y agua caliente para uso en industrias de procesos. – Fabricación de ciertos materiales (vidrios, cerámicas, cemento). – Tratamiento térmico de superficies de partes metálicas. – Incineración de desperdicios y residuos. La combustión se produce en una cámara de combustión, sin embargo se necesitan otras unidades de control para suministrar y distribuir combustible, suministrar aire de combustión, ransferir calor, limpiar y descargar gases de escape y los residuos de combustión (cenizas, escombros).

Los combustibles sólidos se queman en una base fija o lecho de fluidizado o en una mezcla de aire/polvo de combustión. Los combustibles líquidos se suministran a la cámara de combustión junto con el aire de combustión (formando una neblina). Los combustibles gaseosos se mezclan con aire de combustión ya en el quemador. 3. 5 Gases de escape. Los gases de escape generados en los procesos de combustión se denominan gases de combustión o gases de chimenea.

Su composición depende del tipo de combustible y de las ondiciones de la combustión. Los gases de escapes en las plantas de combustión contienen los productos de reacción del combustible, el aire de combustión y las sustancias residuales tales como partículas (polvo), óxidos de azufre, óxidos nitrogenados y monóxido de carbono. Cuando se quema carbón, pueden estar presente en los gases de combustión hidrocarburos y metales, además de HCL (Ácido Clorhídrico) y HF (Ácido Fluorhídrico) en la incineración de materiales residuales.

Los gases de escape deben cumplir con regulaciones gubernamentales estrictas con relación a los valores límites de as emisiones de los agentes contaminantes tales como el polvo, óxido 7 26 los valores limites de las emisiones de los agentes contaminantes tales como el polvo, óxidos de azufre, nitrogenados y monóxido de carbono. Para cumplir con estos valores, las plantas de combustión están equipadas con sistemas de limpieza de gases de combustión, los cuales permiten eliminar o reducir al mínimo los contaminantes con procedimientos especiales tales como scrubbers y filtros de polvo, antes de liberar el gas a la atmósfera.

El gas de escape en su estado original se conoce como gas crudo, después de su limpieza se conoce como gas limpio. Dentro de estos gases tenemos: Nitrógeno (N2), Dióxido de Carbono (C02), Vapor de agua (humedad), Oxígeno (02), Monóxido de Carbono (CO), Óxidos de Nitrógeno (NOx), Dióxido de azufre (S02), Sulfuro de Hidrogeno (H2S), Hidrocarburos (CxHy o HC), Acido cianhídrico (HCN), Amoniaco (NH3), Compuestos halogenados (HCL o HF), Sólidos (polvo, hollín). . 6 Composición de los gases de escape. Los principales componentes de los gases de combustión son: Nitrógeno (N2), Dióxido de Carbono (C02), Vapor de agua (humedad), Oxígeno (02), Monóxido de Carbono (CO), Óxidos de Nitrógeno (NOx), Dióxido de azufre (S02), Sulfuro de Hidrogeno H2S), Hidrocarburos (CxHx o HC), Amoníaco (N H3), Compuestos 4. – APLICACIONES DE LA COMBUSTION. 4. 1 Generación de energía: a. Hornos de combustible sólido: Los hornos de combustible sólido forman parte de las calderas para generar energía calorifica mediante la cocción de combustibles sólidos como carbón duro, carbón oscuro, madera, etc. Se prensa el combustible y luego se introduce en el quemador. La combustión se lleva a cabo en una cámara de combu combustible y luego se Introduce en el quemador. La combustión se lleva a cabo en una cámara de combustión sobre un lecho ijo o fluido o en una mezcla de combustible polvo / aire.

El aire de combustión se suministra mediante un ventilador, a veces ya mezclado con carbón en polvo. Fig. 1: Hornos de combustible sólido. b. – Hornos de combustible gaseosos: Los hornos de combustible gaseoso forman parte de las calderas para generar energía calorífica mediante la cocción de combustibles gaseosos como gas natural, gas industrial, motor de gas de horno alto, etc. Estos hornos proporcionan una combustión casi completamente libre de emisiones y residuos.

El suministro de combustible y aire de combustión se realiza mediante ventiladores o, en plantas más randes, con quemadores de alta presión. Fig. 2: Hornos de combustible gaseoso. c. – Plantas de turbinas a gas: Las turbinas de gas estacionarias se desarrollaron originalmente como motores de aviones y se aplican preferentemente como generadores. Las instalaciones se utilizan para generar energía eléctrica de carga máxima y también suelen generar, Junto con una caldera de calor residual, energía calorífica.

La composición del gas de combustión es muy parecida a la de los hornos de combustible gaseoso. Además del gas natural, también se utilizan como combustible el gas vertedero o biogás. Fig. 3: Plantas de turbina a gas. . – Hornos de combustible líquidos: Los hornos de combustible líquido forman parte de la generan energía calorífica al quemar difere de combustible. El aire de combustión como una mezcla en la cámara de combustión. El combustible liquido se quema casi sin dejar residuos y la cantidad de polvo de combustión es muy baja.

Fig. 4: Hornos de combustible líquidos. e. – Centrales eléctricas de carbón: Las centrales eléctricas de carbón pertenecen al grupo de centrales eléctricas térmicas que generan electricidad (forma de energía secundaria) a partir del carbón como fuente primaria de energía. Utilizan como ombustible la hulla y el lignito. La hulla se prensa, se seca y se muele en el molino. Junto con el aire de combustión precalentado, se introduce el carbón en polvo en el horno y se quema a temperaturas de aproximadamente 1000 0C.

El horno está rodeado por el generador de vapor, formado por un sistema de tuberías muy juntas por las que discurre agua de caldera. El agua se calienta y entonces genera una corriente de vapor con una presión aproximada de 200 bar para mover una turbina. Los gases de combustión salen del horno y son liberados en la atmósfera por la chimenea. La corriente, después de salir de a turbina, se enfría y se convierte en agua y se vuelve a recargar en el sistema de caldera. Fig. 5: Centrales eléctricas de carbón. . – Centrales eléctricas combinadas de calefacción y electricidad (Máquina/turbina alternativa): Las centrales combinadas de calefacción y electricidad (centrales eléctricas en bloque) son motores estacionarios de gas o diesel que producen calor y electricidad simultáneamente de acuerdo con el principio de relación calor/electricidad. Pueden instalarse fácilmente muy próximas al consumidor y son adecuadas en locales residenciales y edificios públicos. Los g Igidos por turbi 0 DF 26