Capitulo 3

COMBUSTIÓN

La combustión es una reacción química de oxidación de las sustancias combustibles, que se desarrolla con bas-

tante velocidad, con la generación de calor (reacción exotérmica), luz (la llama), y productos gaseosos de reac-

ción (CO2, H2O, CO).

Para que exista una combustión deben concurrir:

- El combustible.

- El comburente (generalmente, el oxígeno del aire).

- La energía de activación (necesaria para iniciar el proceso, p.e. chispa eléctrica).

- Las condiciones que hacen posible las reacciones químicas intermedias del proceso (reacciones en ca-

dena).

La combustión se puede representar por la reacción:

Combustible + comburente productos de combustión + calor activacióndeenergia

Los procesos de combustión se pueden clasificar en:

Combustión completa, cuando las sustancias combustibles del combustible se queman hasta el máximo grado

posible de oxidación. En consecuencia, los productos de combustión estarán formados sólo por CO2, H2O, SO2,

N2 y posiblemente O2.

Combustión incompleta, cuando las sustancias que forman el combustible no se oxidan completamente, y luego

del proceso de combustión, aún existen sustancias que todavía pueden seguir oxidándose. Estas sustancias se

denominan inquemados. La presencia de inquemados indica que la combustión se está realizando de manera

incompleta. En los productos de combustión se tendrá la presencia de uno o más de los siguientes compuestos: C

(hollín), CO, H2, CnHm, y H2S. Estas sustancias son los contaminantes más comunes que escapan a la atmósfera

en los gases de combustión.

Combustión teórica o estequiométrica, cuando se realiza con la cantidad teórica de oxígeno estrictamente necesa-

ria para producir la combustión completa. En consecuencia, en los productos de combustión no se encuentra O2

ni inquemados.

Esta combustión se denomina teórica por que en la práctica siempre se producen inquemados, aunque sea en muy

pequeña proporción.

Combustión con exceso de aire es la combustión que se lleva a cabo con una cantidad de aire superior a la este-

quiométrica. Esta combustión tiende a no producir inquemados. Es típica la presencia de O2 en los productos de

combustión.

- 23 -

Combustión con defecto de aire, cuando el aire disponible es menor al necesario para que se produzca la oxida-

ción total del combustible. Por lo tanto, se producen inquemados.

La llama es la zona o región en la que tiene lugar la reacción de combustión entre el combustible y el oxígeno.

Esta reacción va acompañada del desarrollo de calor, los gases producidos adquieren temperaturas elevadas, con

lo que emiten radiación en parte luminosa. De ahí que una de las acepciones de la llama es precisamente la masa

de gases incandescentes producidos por la combustión.

El proceso de combustión puede ser considerado como el resultado de un gran número de pequeñas explosiones

entre cada molécula de combustible con el oxígeno. Cada una de estas explosiones descarga una pequeña canti-

dad de calor, la suma de estas pequeñas explosiones es lo que da lugar a la aparición de la llama.

Todas las llamas tienen ciertas características en común, entre las que se incluyen:

- La producción de calor.

- La expansión de los gases.

- Los gases formados por el proceso de combustión.

- Emisión de radiación.

- Ionización dentro y fuera de la llama.

Todos los combustibles requieren un comburente, que en la mayoría de los casos es el aire atmosférico, el que en

algunas aplicaciones puede enriquecerse con oxígeno. Se postula teóricamente que los componentes del aire son

exclusivamente nitrógeno y oxígeno, atribuyendo al primero las pequeñas cantidades de otros inertes. En base

molar o volumétrica, las proporciones son:

Oxígeno 21%

Nitrógeno 79%

En peso, las proporciones de los componentes son las siguientes:

Oxígeno 23.3%

Nitrógeno 76,7%

La masa molar calculada del aire es de 28.9 g/mol, y su densidad en CN es de = 1.293 kg/m3.

El aire atmosférico, sin embargo, incorpora a los dos componentes citados cantidades variables de humedad que

es preciso tener en cuenta en muchas aplicaciones. El contenido de humedad del aire se suele expresar referido a

base seca, y así se define la humedad absoluta por los kg de agua por cada kg de aire seco.

TABLA 3.1 Presión de vapor de agua en función de la temperatura, en estado de saturación, a

diferentes temperaturas.

TEMPERATURA

ºC

PRESIÓN DE SATURACIÓN

DEL VAPOR DE AGUA, bar

0

5

10

15

20

25

30

0.00611

0.00872

0.01227

0.01704

0.02337

0.03166

0.04241

- 24 -

25

40

45

50

55

60

65

70

75

80

85

90

95

100

0.05622

0.07375

0.09582

0.12335

0.15741

0.19920

0.25010

0.3116

0.3855

0.4736

0.5760

0.7011

0.8354

1.0133

Los productos de combustión, denominados también humos, gases de chimenea o gases residuales de la combus-

tión, son todos los gases que resultan del proceso de combustión, incluido el vapor de agua. Cuando esto sucede,

el análisis de los gases de combustión se denomina en base húmeda.

Cuando el análisis de los gases de combustión no incluye el vapor de agua, el análisis se denomina en base seca o

análisis de Orsat. El análisis de Orsat se refiere a un tipo de aparato para análisis de gases en el que los volúme-

nes de gases respectivos se miden sobre agua, y en equilibrio con ella; por tanto, todos los componentes están

saturados con vapor de agua. El resultado neto del análisis se obtiene al eliminar el agua como componente.

COMBUSTIÓNCombustible CnHm

Aire, O2, N2, H2O

H2O

CO2

CO

O2

N2

SO2

Gases de combustión

Análisis enbase húmeda

Análisis enbase seca

Figura 3.1 Comparación del análisis de gases con diferentes bases.

3.1 Reacciones de combustión y cálculos estequiométricos Para un combustible específico de fórmula CnHm, la reacción de combustión para un mol (volumen) de combusti-

ble es:

n m 2 2 2

m mC H n O n CO H O calor

4 2

(3.1)

En esta reacción, n es el número de átomos de carbón en la molécula de combustible, y m el número de átomos

de hidrógeno.

- 25 -

En esta reacción, se puede hacer la siguiente lectura:

de CnHm requiere

gramos)mn*12(

litro1

mol1

gramos32*4

mn

litros4

mn

moles4

mn

gramosn*44

litrosn

molesn

de oxígeno para

dar de CO2 y

gramosm*9

litros2

m

moles2

m

de H2O, respectivamente.

Algunas reacciones de combustión importantes son las siguientes:

TABLA 3.2 Reacciones de combustión de combustibles gaseosos.

COMBUSTIBLE n m REACCIÓN DE COMBUSTIÓN CALOR DESPRENDIDO,

kJ

C

H2

CH4

C2H6

C3H8

C4H10

1

0

1

2

3

4

0

2

4

6

8

10

C + O2 CO2

H2 + 0.5 O2 H2O

CH4 + 2 O2 CO2 + 2 H2O

C2H6 + 3.5 O2 2 CO2 + 3 H2O

C3H8 + 5 O2 3 CO2 + 4 H2O

C4H10 + 6.5 O2 4 CO2 + 5 H2O

394

247

800

1425

2159

2812

La cantidad estequiométrica de oxígeno, calculada para la combustión completa de CnHm, con la formación de

CO2 y H2O como productos tal como se muestra en la reacción (3.1), se denomina oxígeno teórico.

En la aplicación industrial del proceso de combustión, con el fin de garantizar una utilización total del combusti-

ble en la generación de calor (conseguir una combustión total), la combustión se realiza con un exceso de oxíge-

no. El exceso de oxígeno (aire) utilizado se expresa en función del oxígeno (aire) teórico, mediante un coeficien-

te , tal que:

Exceso de oxígeno = = oxígeno total utilizado oxígeno teórico

oxígeno teórico

Oxígeno total1

Oxígeno teórico

de manera que el oxígeno que se utiliza para quemar un cierto combustible, puede ser expresado en función del

exceso como:

oxígeno total = (1 + ) oxígeno teórico (3.2)

- 26 -

La reacción de combustión del combustible CnHm, tomando en cuenta el exceso de oxígeno, se escribe como:

CnHm + (1+ ) (2222 O)

4

mn(OH

2

mnCOO)

4

mn( + calor (3.3)

Como se observa en esta reacción, existe una cantidad de oxígeno sin utilizar que sale junto con los gases de

combustión, en una cantidad de )4

n( m moles o unidades de volumen.

El peso de este oxígeno en exceso, puede ser calculado por mol de combustible quemado usando la fórmula:

Peso de oxígeno en exceso = 32*)4

mn*12(* [gr] (3.4)

3.1.1 Combustión con aire seco

De manera general, la industria metalúrgica utiliza el oxígeno del aire como comburente. El uso de aire en la

combustión, implica que al sistema se agrega nitrógeno, en una proporción de 3.76 moles (volúmenes) por mol

(volumen) de oxígeno.

El nitrógeno no participa en la reacción, ya que un gas inerte, y sale del sistema en la misma proporción en la que

ingresa.

La reacción de combustión para este caso, tomando en cuenta el exceso de oxígeno, para relaciones de aire en

moles o volumen es:

n m 2 2 2 2 2 2

m m m mC H (1 ) n O 3.76(1 ) n N nCO H O (n )O 3.76(1 ) n

m

4N

4 4 2 4

(3.5)

A partir de esta reacción, se pueden calcular las diferentes relaciones de interés en los procesos de combustión:

El radio aire/combustible es:

1

4n)1(*76.4

HC

NO

ecombustibl

aire

mn

22

m

volumenmol

volumen,

mol

El análisis de los gases que ingresan al quemador es:

- 27 -

TABLA 3.3. Análisis químico de los reactantes en la combustión de CnHm con aire.

GAS MOLES O VOLUMEN PORCENTAJE

CnHm 1 100*1

O2

4

mn)1( 100*

4

mn

)1(

N2 3.76*

4

mn)1( 100*

4

mn

)1(*76.3

Total

4

mn)1(*76.41 100

El proceso de cálculo del análisis de los gases de combustión, es el siguiente:

TABLA 3.4. Análisis de los gases de la combustión de CnHm con exceso de aire.

GAS MOLES (VOLUMEN) PORCENTAJE

CO2 n 100*n

H2O

2

m 50*m

O2

4

mn 100*

4

mn

N2

4

mn)1(76.3 100*

4

mn

)1(*76.3

TOTAL MOLES

(VOLUMEN) )1(76.3

4

mn

2

mn

100

Ejemplo 3.1 Escriba la reacción para la combustión de butano con oxígeno puro en proporción estequiométrica.

Calcule además la relación oxígeno/combustible y el análisis de los gases de combustión.

Solución:

La fórmula química del butano es C4H10, y por tanto n = 4 y m = 10

Sustituyendo estos valores en la reacción química de combustión con oxígeno (reacción 3.1), se obtiene:

C4H10 + (4 +4

10 ) O2 = 4 CO2 + 5 H2O

- 28 -

C4H10 + 6.5 O2 = 4 CO2 + 5 H2O

A partir de esta reacción, se observa que cuando se somete a combustión una mezcla en proporción estequiomé-

trica de butano y oxígeno, la relación de mezcla oxígeno/combustible es:

oxígeno 6.56.5

combustible 1

El análisis de los gases de combustión, se calcula reemplazando los valores de n y m y tomando = 0 (por no

existir exceso de oxígeno) en las fórmulas de la tabla 3.4; y debido a que la combustión es con oxígeno puro en

proporción estequiométrica, sin tomar en cuenta las filas del O2 y N2, de la siguiente manera:

TABLA 3.5 Cálculo del análisis de los productos de reacción producidos por la combustión de una

mezcla estequiométrica de butano y oxígeno.

GAS MOLES (VOLUMEN) PORCENTAJE

CO2

H2O

4

105

2

4*100 44.44

9

5*100

9= 55.56

Total de moles

(volumen) 9 100.00

Ejemplo 3.2: ¿Cual es el requerimiento de oxígeno puro necesario para quemar completamente 120 litros de

propano (C3H8) en Oruro, donde debido a los 3706 m.s.n.m. a los que se encuentra la ciudad, la presión atmosfé-

rica es de 0.64 atm, y se tiene una temperatura promedio es de 15 ºC?. Además, calcule las cantidades de CO2 y

H2O que se producen, expresando todos los resultados en moles, litros y gramos.

Solución:

El combustible propano tiene por fórmula C3H8, y por tanto n = 3 y m = 8

El número de moles de propano, se calcula asumiendo un comportamiento de gas ideal

P*V = n*R*T

Donde: P = Presión atmosférica, [atmósferas]

V = Volumen del gas, [litros]

n = número de moles

R = Constante universal de los gases, 0.082 [atm.litro/ºK.mol]

T = Temperatura absoluta, [ºK]; ºK = ºC + 273

moles252.3)15273(*082.0

120*64.0

T*R

V*Pn

Para relaciones de moles y peso, la reacción de combustión con oxígeno puro en proporción estequiométrica, se

debe escribir de la siguiente manera:

- 29 -

n m 2 2 2

m m3.252*C H 3.252* n O 3.252*nCO 3.252* H O

4 2

mientras que para unidades de volumen, la reacción es:

120* OH2

m*120COn*120O

4

mn*120HC 222mn

Los otros cálculos, se realizan en base a estas reacciones, y se resumen en la siguiente tabla:

TABLA 3.6 Volumen de oxígeno requerido; de CO2 y H2O producidos, al quemar 120 litros de

propano en Oruro.

UNIDAD PROPANO O2 CO2 H2O

moles 3.252 83.252* 3 16.26

4

3*3.252=9.756 252.3*2

8 =13

litros 120 120* 6004

83

3*120 = 360 120*

2

8 480

gramos (12*3 + 8)*3.252 =

143 3.252* 32*4

83

= 520 3*44*3.252=429.26 9*8*3.252=234

Ejemplo 3.3: Utilizando un quemador de premezcla, se quema butano con oxígeno, utilizando un exceso de 70%

de oxígeno.

a) Escriba la reacción de combustión.

b) Calcule la relación oxígeno/combustible y,

c) Determine el análisis de los gases de combustión.

Solución:

a) El exceso de oxígeno debe ser escrito como una fracción de la unidad, por tanto = 0.7, los valores de n y

m son 4 y 10, respectivamente.

La reacción de combustión del butano con oxígeno, reemplazando valores en la reacción (3.3) es:

4 10 2 2 2 2

4 10 2 2 2 2 2

10 10 10C H (1 0.7) 4 O 4 CO H O 0.7 4 O

4 2

C H 6.5O 0.7 * 6.5O 4 CO 5 H O 0.7 * 6.5O

4

C4H10 + 11.05 O2 = 4 CO2 + 5 H2O + 4.55 O2

Los 4.55 moles de oxígeno que se muestran en los productos de la combustión, corresponden al exceso de oxíge-

no que sale del proceso sin combinarse y que no modifica las proporciones estequiométricas de combustible y

- 30 -

oxígeno que reaccionan. Una simplificación de la reacción restando a ambos miembros el exceso de 4.55 moles

de O2, permite obtener la reacción para el cálculo estequiométrico de oxígeno.

b) El radio oxígeno/combustible es:

10(1 0.7) 4

oxígeno 1.7 * 6.5 11.054

combustible 1 1 1

c) El análisis de los gases, se obtiene reemplazando los valores de = 0.7, n = 4 , m = 10 y sin tomar en cuenta

la fila de N2 y el aporte de este gas al volumen total de gases en los diferentes términos de la tabla 3.4:

TABLA 3.7. Análisis de los gases que resultan de quemar butano con 70% de oxígeno.

GAS MOLES O VOLUMEN PORCENTAJE

CO2

H2O

O2

4

2

10 = 5

4

104*7.0 = 4.55

52.29100*55.13

4

90.36100*55.13*2

10

58.33100*55.13

55.4

Total moles (volumen) 13.55 100.00

Ejemplo 3.4: Para la calefacción de un caldero se utiliza como combustible gas licuado de petróleo, GLP, que

para fines de cálculo se supone que es 100% propano, el que se quema usando oxígeno puro. El análisis de los

gases que salen de la chimenea del caldero es:

CO2 = 33.33%

H2O = 44.45%

O2 = 22.22%

a) Expresar el análisis de los gases de combustión en base seca

b) Calcular el exceso de oxígeno utilizado.

Solución

a) En el análisis en base seca, no se toma en cuenta entre los componentes de la fase gaseosa al vapor de agua.

La suma de los porcentajes de los gases restantes, CO2 y O2 es 33.33 + 22.22 = 55.55.

El análisis del gas en base seca se obtiene calculando los nuevos porcentajes en base a la suma de los porcen-

tajes de O2 y CO2:

%40100*55.55

22.22O

%60100*55.55

CO

2

2

33.33

- 31 -

b) Para el cálculo del exceso de oxígeno conociendo el análisis de los productos de combustión y la fórmula del

gas combustible (propano, C3H8; n = 3, m = 8), se debe tomar como base las fórmulas de la columna de por-

centaje de la tabla 3.4, e igualarlas a los porcentajes conocidos del análisis de gases, sin tomar en cuenta la

fila del N2 y el aporte de este gas al volumen total de gases , de la siguiente manera:

CO2 = 33.33100*3

100*n

Despejando en esta ecuación el valor de , que representa el número total de moles (volumen total), se tiene:

933.33

300

El exceso de oxígeno , puede ser calculado de la fila de la tabla 3.4 correspondiente al cálculo del porcen-

taje de oxígeno:

O2 = 22.22100*4

mn*

Reemplazando valores:

22.22100*4

83*

9

22.229

500*

= 0.4

El exceso de oxígeno utilizado en la combustión es de 40%.

Ejemplo 3.5: Se queman 2.50 m3 de propano en Oruro (presión atmosférica = 0.64 at., temperatura promedio 15

ºC) utilizando un exceso de 25% de aire seco. Calcular:

a) El volumen y composición de los gases de combustión

b) El radio aire/combustible utilizado.

c) El volumen de aire teórico necesario para la combustión de los 2.5 m3 de propano.

d) El peso de 1 m3 de mezcla aire/combustible

Solución:

a) En la tabla 3.4, la columna moles (volumen), permite calcular los volúmenes de los diferentes gases por

unidad de volumen de combustible. Para utilizar esta tabla en la solución del problema, es necesario multi-

plicar cada una de las filas de esta columna por los 2.5 m3 de combustible utilizado.

Propano Fórmula: C3H8 , n = 3; m = 8

- 32 -

TABLA 3.8 Cálculo del volumen y composición de los gases de combustión resultantes de quemar

2.5 m3 de propano con 25% de exceso de aire.

GAS VOLUMEN, m3 PORCENTAJE

CO2 2.5 * 3 = 7.546.9100*

3.79

5.7

H2O 0.10

2

8*5.2 61.12100*

3.79

10

O2 1.3

4

83*25.0*5.2

90.3100*

3.79

1.3

N2 7.58

4

83*)25.01(*76.3*5.2

03.74100*

3.79

7.58

VOLUMEN TO-

TAL

79.3 100.00

Respuesta: Se producen gases de combustión en un volumen de 79.3 m3, con el análisis mostrado en la co-

lumna porcentaje de la tabla anterior.

b) Tomando como base la reacción (3.5):

1

4

ecombustibl

aire

83*)25.01(*76.4

Respuesta: 75.29ecombustibl

aire

c) Para el cálculo del volumen de aire teórico necesario para la combustión completa de los 2.5 m3 de propano,

en la reacción (3.5) se toma como valor del exceso de aire = 0, y se tiene:

4

83*76.4*5.2

4

mn*76.4*5.2teóricoaire

Respuesta: aire teórico = 59.3 m3

d) Como paso previo al cálculo del peso de 1 m3 de mezcla aire/combustible, se requiere calcular la composi-

ción de la mezcla reaccionante. Este cálculo se realiza con ayuda de las fórmulas de la tabla 8, tomando co-

mo base de cálculo 1 m3 de propano, como se muestra en la siguiente tabla:

- 33 -

TABLA 3.9. Cálculo de la composición de la mezcla propano/aire con 25% de exceso de aire.

GAS VOLUMEN PORCENTAJE

C3H8 1.00 3.25

Aire 75.29

4

83)25.01(*76.4

96.25

Total 30.75 100.00

Por tanto, 1 m3 de mezcla aire/combustible, está compuesta por 32.5 litros de propano y 962.5 litros de aire.

Las densidades del propano y el aire, en las condiciones de Oruro son 1.19 y 0.78 gr/l, respectivamente. Por

tanto, el peso de 1 m3 de mezcla es:

Peso de la mezcla = Peso del propano + peso del aire

Peso de la mezcla = aireairepropanoopanoPr V*V*

Peso de la mezcla = 1.19*32.5 + 0.78*962.5

Respuesta Peso de la mezcla = 789.4 gr

3.2. Límites de inflamabilidad No todas las proporciones de aire-combustible son adecuadas para la combustión. Para cada combustible existen

límites de inflamabilidad , el inferior y el superior, fuera de los cuales la combustión no es posible.

Los límites de inflamabilidad para mezclas gas-aire a 20 °C y una atmósfera se dan en la tabla 3.10, A manera de

ejemplo, en esta tabla se puede ver que en una mezcla homogénea de metano - aire, sólo se dan condiciones de

inflamabilidad si la proporción de metano se halla comprendida entre el 5 y el 15%, que corresponde a las rela-

ciones aire/combustible de:

aire

combustible para el límite inferior de inflamabilidad 100 5

195

aire

combustible para el límite superior de inflamabilidad 100 15

5.66715

Estos valores, indican que sólo se tendrá una llama estable si en el quemador se tiene un radio molar de aire com-

bustible entre 5.667 y 19.

La relación aire/combustible que corresponde a la proporción estequiómetrica de combustión de metano, o al

llamado aire teórico necesario para la combustión, puede calcularse a partir de la reacción (3.5), tomando como

exceso de aire = 0, y reemplazando valores de n y m, que para el metano, CH4, n = 1 y m = 4:

2 2

Teórico 4

aire moles de O moles de N

combustible moles de CH

- 34 -

m mn 3.76* n

4 41

4 41 3.76* 1 9.

4 4

52

que como se puede ver, se encuentra entre los límites de inflamabilidad inferior y superior.

TABLA 3.10. Límites de inflamabilidad de diferentes gases, para mezclas aire – combustible a 20

°C y 1 atmósfera.

LIMITE, %

GAS INFERIOR SUPERIOR

H2

CO

CH4

C2H6

C3H8

C4H10

C5H12

C6H6

C2H2

C2H4

4

12.5

5

3

2.1

2

1.4

1.3

2.3

3

75

74.2

15

12.4

9.5

7.6

7.8

7.9

82

17.7

Para el caso de mezclas de gases, el cálculo de los límites de inflamabilidad de la mezcla gaseosa se realiza a

partir de los valores de cada componente aplicando la regla de Le Chatelier:

mj

j

1L

x

L

siendo xj la fracción molar ( o en volumen) del componente j, Lj su límite de inflamabilidad (inferior o superior),

y Lm el límite (inferior o superior) de la mezcla.

Ejemplo 3.6: Determinar los límites de inflamabilidad de un gas que tiene por composición en volumen: hidróge-

no, 20%; metano, 30%; etano, 20%; etileno, 30%.

Solución:

Aplicando a la fórmula de Le Chatelier los límites de la tabla 3.10 para los gases correspondientes:

i

1L 3.6 %

0.20 0.30 0.20 0.30

s

4 5 3 3

1L 17.9 %

0.20 0.30 0.20 0.3075 15 12.4 17.7

- 35 -

La presencia de gases inertes altera el valor de estos límites; la influencia de los gases inertes utilizados, N2, H2O

y CO2 se representa en diagramas triangulares como el que se muestra para la combustión de metano, principal

componente del gas natural.

Figura 3.2. Límites de inflamabilidad del sistema CH4 – N2 – O2

3.3 Temperatura de ignición Para que un combustible se queme, es decir, reaccione con el oxígeno, es necesario el aporte de una cantidad de

energía para que el combustible se inflame. Esta cantidad de energía depende del tipo de combustible, de la pro-

porción de mezcla gas-aire y del contenido de oxígeno.

Las temperaturas mostradas en la tabla 3.11 han sido determinadas por calentamiento de una mezcla de combus-

tible y una cantidad apropiada de oxígeno para que tenga lugar la ignición, siguiendo la norma DIN 51794.

TABLA 3.11. Temperaturas de autoinflamación de algunos combustibles.

COMBUSTIBLE TEMPERATURA, ºC

H2

CO

CH4

C2H6

C3H8

C5H12

C8H18

C6H6

Kerosene

Gasolina

Carbón

400

605

537

515

450

260

210

555

260

390

454

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3.4 Sistemas de encendido Son sistemas que elevan la temperatura de una mezcla combustible sobre su temperatura de ignición a fin de

lograr la formación de una llama estable. Varios sistemas de ignición son de uso común.

En los sistemas industriales se recomienda el sistema de chispa, que se consigue por descarga eléctrica entre dos

electrodos, o un electrodo y una masa (quemador) colocado adecuadamente para que prenda la combustión. La

temperatura de la chispa es de aproximadamente 1.600 ºC. Este tipo de ignición se usa en quemadores de aceite

domésticos, y para llamas piloto de gas o la ignición de llama principal en quemadores de aceite de tamaño co-

mercial.

Otros sistemas de la ignición son usados en hornos pequeños, tales como encendedores de alambre incandescen-

te, encendedores catalíticos y encendedores piezo eléctricos - pero estos sistemas no son generalmente satisfacto-

rios para equipos del tipo industrial.

3.5 Componentes de un sistema de combustión industrial Los siguientes componentes son importantes en un sistema de combustión industrial (figura 3.3):

- Quemador; en el cual combustiona el combustible con el aire para producir calor.

- La carga a calentar, la cual afecta la manera como es transferido el calor de la llama.

- El combustor, el cual puede ser un horno, un calentador, un secador, etc.

- Recuperador de calor

- Sistema de depuración y limpieza de gases.

- Sistema de control de flujo de combustible y aire al quemador.

Intercambiador de calor

Horno

Bombaexhaustora

Control deflujo

Combustible

A la atmósfera

Quemador

Sistema decontrol de lapolución

Gases de combustión

Aire para la combustión

Carga a calentar

Ventiladorde aire

Figura 3.3 Esquema de los principales componentes de un sistema de combustión industrial [9].

- 37 -

3.6 Quemadores Los quemadores son los dispositivos que permiten realizar la reacción de combustión entre el combustible y el

oxígeno de manera controlada y regulable, asegurando la aportación adecuada de ambos para conseguir la poten-

cia calorífica especificada, y distribuyendo la zona de reacción (llamas) y la circulación de los productos de com-

bustión de modo que se transfiera a la carga, del modo más eficiente, todo el calor producido.

3.6.1 Criterios de selección Para especificar el equipo de combustión se han de aplicar criterios de selección de carácter general relativos al

quemador, y de carácter específico, teniendo en cuenta la aplicación concreta y el tipo de horno.

Criterios genéricos:

o Temperatura a alcanzar, lo que implicará principalmente tasas de aireación, reciclado, precalentamiento,

oxigenación.

o Naturaleza de los productos de combustión. Selección del carácter oxidante o reductor de la atmósfera

del horno, concentraciones de NOx.

o Flexibilidad de funcionamiento, que es la regulación de potencia máxima y mínima a regulación nomi-

nal. Puede exigir modulación de tiempo de funcionamiento o la utilización de series de quemadores.

o Flexibilidad de regulación. Relación de tasas de aireación extremas entre las que el quemador funciona

correctamente.

o Ruido.

Criterios específicos:

Receptividad térmica del producto, que depende de:

o Conductibilidad térmica

o Coeficiente de absorción de la radiación

o Superficie específica

o Oxidabilidad

Receptividad térmica del horno:

o Aislamiento térmico.

o Inercia térmica.

o Paredes térmicas: crisoles, muflas, semimuflas, tubos radiantes.

o Vestíbulos de precalentamiento de la carga.

o Recuperadores de precalentamiento de aire.

3.6.2 Quemadores de gas

Cuando se usa gas como combustible, el gas puede soplarse en la cámara de la combustión, aspirarse a través del

ingreso de aire a una velocidad elevada, o permitir que escape de la cámara bajo su propia presión de distribu-

ción. Puesto que el gas siempre es distribuido bajo presión, el último método se usa ampliamente. La cantidad de

gas que ingresa a la cámara de combustión, normalmente es controlada por una válvula de regulación de presión

en la línea de suministro de gas. También puede ser controlada por un orificio o por una válvula manual en la

línea de gas.

La presión de distribución del gas al quemador varíe de algunas onzas por pulgada cuadrada, (osig) hasta unas 50

libras por pulgada cuadrada (psig). La presión generalmente es clasificada como baja, intermedia o alta, como

sigue:

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o Baja 2 a 8 osig.

o Intermedia 8 osig a 2 psig.

o Alta 2 a 50 psig.

Cuando la presión de distribución de gas es alta, pueden adaptarse muchos quemadores satisfactoriamente a una

gama amplia de capacidades, instalando tamaños diferentes de pitones de gas. Otra ventaja del gas a alta presión

es que pueden usarse pitones pequeños. Los pitones más pequeños y las velocidades de gas más altas desarrollan

presiones elevadas en la cabeza del quemador, lo cual da un amplio rango de trabajo.

Para que se pueda realizar cualquier reacción de combustión, se deben mezclar el combustible y el oxidante. Si el

combustible y el oxidante no se mezclan de manera adecuada entonces, aunque exista la cantidad de aire suficien-

te, no se completará la combustión porque algo de combustible no se reunirá con el aire en la zona de combustión

a alta temperatura.

Según la manera de poner en contacto aire y combustible, se tienen los siguientes tipo de quemadores:

3.6.2.1 Quemadores atmosféricos En ellos el gas induce el aire atmosférico en el tubo de mezcla, en cuyo extremo se forma la llama. No se requiere

ventilador de aire ni órganos mecánicos que regulen el caudal de aire en función del caudal de gas.

En los quemadores atmosféricos de tiro natural, el ingreso de aire al quemador es logrado por la succión produci-

da por los gases de combustión en la chimenea (figura 3.3). En los quemadores de inyector fijo, se utiliza la

acción de un venturi para ingresar el aire primario al quemador. (figura 3.4)

Estos quemadores se utilizan en hornos pequeños, o en aquellos que trabajan a baja temperatura.

Figura 3.3. Quemador atmosférico de tiro natural

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Figura 3.4 Quemador atmosférico de inyección.

3.6.2.2 Quemadores de premezcla

En los quemadores de premezcla, cuyo esquema se muestra en la figura 3.5, el combustible y el aire son mezcla-

dos completamente antes que la combustión tenga lugar. Este tipo de quemadores se caracteriza por producir

llamas cortas y de intensa producción de calor, comparadas con las llamas de difusión. Esto puede producir re-

giones de elevada temperatura en la llama, ocasionando un calentamiento desigual de la carga y emisiones eleva-

das de NOx. Sin embargo, en aquellos tipos de hornos en los que es necesario que la llama impacte en la carga,

los quemadores de premezcla son muy usuales debido a que las elevadas temperaturas y poca longitud de la llama

mejora la velocidad de calentamiento.

Figura 3.5 Esquema de los quemadores de premezcla [9].

3.6.2.3 Quemadores de difusión

Los quemadores de difusión se caracterizan porque el combustible y el aire son alimentados de manera separada

y no se mezclan sino hasta empezar la combustión, la cual empieza cuando la mezcla aire combustible está dentro

de los límites de inflamabilidad. Este tipo de quemadores ofrecen mucha seguridad en su manejo, ya que evitan

los retrocesos de llama y las explosiones dentro del quemador. Este tipo de quemadores son a veces conocidos

con el nombre de “quemadores de gas crudo”, debido a que el gas combustible que sale del quemador se encuen-

tra intacto y no mezclado con el aire.

Figura 3.6 Esquema de los quemadores de difusión [9].

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Los quemadores de difusión producen llamas más largas que los quemadores de premezcla y no presentan puntos

calientes en la llama, por lo que usualmente producen una temperatura y flujo de calor más uniformes.

Es también posible tener quemadores que sean parcialmente de premezcla, en los cuales sólo una porción del

combustible es mezclada con el aire. Esto se realiza con el objeto de tener una llama estable y también por razo-

nes de seguridad. La mezcla parcial de combustible fija el inicio de la llama a la cabeza del quemador, y así se

evita posibles retrocesos de la misma. Este tipo de quemador proporciona una longitud de llama, temperaturas y

flujo de calor que se encuentran entre las de premezcla y las de difusión.

Un quemador puede ser una instalación compleja. En la siguiente figura se presenta un detalle de sus componen-

tes.

Figura 3.7. Detalle de piezas de un quemador de gas.

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