Combustion

Seminario de Capacitacin en Ingeniera Mecnica para Ingenieros no MecnicosCombustin

Alfredo Barriga Rivera Ph.D.23/10/2010

COMBUSTION INDUSTRIAL

DEFINICION BASEEs la reaccin de oxidacin rpida de un producto qumico oxidable (combustible), liberando calor y emisiones lumnicas; la reaccin se confina a una zona denominada llama, donde se produce la mayor parte de las reacciones del proceso. El oxidante es oxgeno molecular, generalmente suministrado como aire ambiental. Combustible y oxgeno deben estar en contacto.

Definiciones Bsicas en CombustinCombustin:Secuencia de reacciones qumicas entre combustible y un oxidante, generalmente aire, por las cuales se libera energa calrica y luminosa en un ambiente confinado.

La zona donde tiene efecto se denomina cmara, hogar, u horno de combustin, que cumple las siguientes funciones:

Permite ingreso de combustible y aire Mezcla ntima de los reactantes Confinamiento de reactantes y productos Redistribucin y almacenamiento de calor

Combustin Completa:Cuando el combustible se oxida completamente, generando CO2, agua y dems productos de combustin.

Quemador:Componente donde se combina el combustible con aire, preparndolos para la combustin.

Combustibles:Los combustibles industriales son generalmente de origen fsil; los principales son fuel oil #2 (liviano) y fuel oil #6 (residual).

COMBUSTION INDUSTRIALLas cmaras de combustin actan como reactor. Estn conformadas por paredes que retienen parte del calor. La llama se forma y fluye a travs de la cmara. El corazn es el denominado quemador.

COMBUSTIBLESGASES: Gas natural y gas licuadoLIQUIDOS: Diesel, bunker liviano, y residual, como bunker pesadoSOLIDOS PULVERIZADOS: Como el carbn mineral, no son comunes en el medio localSOLIDOS GRUESOS: se queman en lecho fijo o lentamente mvil ( quema en parrilla)

COMBUSTIBLES INDUSTRIALESSon productos qumicos, generalmente polmeros complejos, que contienen componentes fcilmente oxidablesHidrocarburferos: provienen de derivados del petrleo o carbn mineral.La antrancita es un carbn tpicoCoke es producto procesado (pirlisis) de carbn mineralMetanoGas licuado: Mezcla de propano (C3H8) Butano (C4H10)DieselResiduales pesados

Poder CalorficoEs la energa que la masa del combustible puede liberar, debido a una reaccin qumica de oxidacin.

El poder calorfico tpico de los combustibles fsiles es:

PCcomb.fsiles 19.500 Btu/lb = 10.000 kCal/kg

PODER CALORIFICO .

Poder Calorfico Superior e InferiorEl agua formada por la oxidacin del combustible puede presentarse como lquido o como vapor; esto da origen a dos valores de poder calorfico:PCSUPERIOR Agua como lquidoPCINFERIOR Agua como vapor

Nota: Generalmente el agua no se condensa en la cmara de combustin, por lo cual para efectos de clculo se toma el poder calorfico inferior.

Para combustibles hidrocar buriferos lquidos esta entre 40 a 45 M Joule/kg en base volumtrica dependiendo de la densidad.

Para el fuel-oil ser entre 41 -43 M Joule/kg.

Propiedades de Fuel Oils de acuerdo a Contenido de S

Relacin entre Poder Calorfico y Densidad en los Fuel Oils* Canad y USA emplean el Poder Calorfico Superior- PCS. Otros pases el PC

Fuel Oil No.TipoDensidad Ton/m3Poder Calorfico Superior* GJ/m31Destilado0.80 - 0.8537.91 38.942Destilado0.86 0.9038.91 40.284Residual0.90 0.9140.47 40.645Residual0.92 0.9540.98 41-706Residual0.96 0.9742.07 42.43

Qumica de la Combustin

REACCIONES BASICAS C+O 2 CO 2El aire contiene 79/21 partes de nitrgeno molecular por cada parte (mol) de O2. La fraccin es equivalente a 3.76 , por lo que el aire puede expresarse como: O2 + 3.76 N2, por tanto C+ (O2 + 3.76 N2 ) CO2 + 3.76 N2

PRESENCIA DE HIDROGENOLos combustibles hidrocarburferos contienen hidrgeno adems de oxgeno. Este tambin participa en la reaccin de oxidacin y genera agua como producto de la combustin CH4+2O 2 CO 2+ 2H2O

Donde 2 moles de O2 oxidan tanto el carbono como el hidrgeno presentes en el metano

REACCIONES BASICAS DE COMBUSTIONEl combustible hidrocarburfero puede expresarse como CxHy, otra manera ms simplificada es la forma CH y/x, indicando que se tiene y/x tomos de H por cada tomo de C.

La reaccin que contiene la cantidad de oxgeno justa para oxidar todo el material oxidable del combustible sera:

Reactantes: CH y/x + (1 + y/4x) ( O2 + 3.76 N2) Productos: CO2 + ( y/2x) H2O + 3.76 (1+ y/4x) N2

PRESENCIA DE EXCESO DE AIRELa buena combustin requiere de un poco ms de aire que el estequiomtrico. Se puede introducir por un lado el llamado Factor de aire estequiomtrico, que es la relacin entre aire real y aire estequiomtrico.En clculos tcnicos se prefiere el Factor de Exceso de Aire que implica la fraccin adicional de aire en relacin al estequiomtrico

REACCION DE EXCESO DE AIRELa reaccin de combustin de CH4 con 20% de exceso de aire quedara:ReactantesCH4+ (1+0.20) (1+ 4/4 ) (O2 + 3.76 N2) ProductosCO2+2H2O + ( 1 + 0.20) ( 1+4/4).3.76 N2 + 0.20 (1+ 4/4) O2

Para la combustin completa de Metano con exceso de Aire de 20%, el nmero de moles totales en productos ser (Ntp):Ntp. = 1+2+(1+0.20)*(1+4/4)*3.76+0.2*(1+4/4)Ntp= 12.424 (incluye agua en el producto)Mientras que en base seca (b.S) este nmero es (Ntp) =1+ (1+0.20)*(1+4/4)*3.76+0.2*(1+4/4)Ntp=10.424 (no incluye agua en los productos) CONCENTRACIN DE GASES EN PRODUCTOSLa reaccin de combustin presentada anteriormente genera un nmero de moles totales NT

Para un Fuel oil pesado tpico y/x= [1.5 -1.8] Para y/x = 1.6Con un exceso de aire del 20% (base seca)

Ntp=(1+(1+0.20)*(1+1.6/4)*3.76+0.2*(1+1.6/4)

Ntp = 7.6

(CCO2) bs=M CO2 / NT = 1/7.6 = 0.131 o sea 13.1 %

Tabulando , para x/y =1.6, en base seca Por lo tanto la Concentracin de gas (mol/mol) en productos, En base seca ser:

EANtpCCO2CO2 0.05 ( 5 %) 0.10 (10%) 0.15 (15%) 0.20 (20%) 7.60.1310.037

Esta relacin depende tanto del tipo de combustible (y/x) como del exceso del aire Para el caso estequiometrico (ea=0):Relacin Aire Combustible en base Masa (a/f)

Maire=(32+3.76*28)=137.28 g/molMf=(12+y/x)Y en presencia de Exceso de Aire

y/x (ma/Mf) Esteq (ma/mf) real 2.5 21.6 14.13 16.96

Ejemplocon exceso de aire 20%

Composicin real de CombustiblesCASO 1 CASO 2En base a los pesos moleculares se puede expresar una molcula de la forma

Los coeficientes y/x, w/x, z/x se obtiene en base a las masas (m) y masa moleculares (M) de los elementos respectivosAsi, y/x es el cociente entre el nmero de mole de H y nmero de moles de C (NH/NC)Similarmente para los otros

Luego se procede a plantear la ecuacin de combustin, de la siguiente forma:

En los reactantes:

En los productos:

Los valores del caudal emitido [Q] por cada uno de los contaminantes desde la chimenea, utilizamos las relaciones estequiometricas de la ecuacin de combustin a partir del consumo de combustible En donde:Ncont= numero de moles del contaminante en la ecuacinPMcont= peso molecular del contaminantePMcomb= peso molecular del combustible

EjemploCoeficientes de la molcula de combustible

Coeficiente de los ProductosExceso de Aire 20%

Termodinmica de la Combustin La temperatura de gases depende de temperatura de gases de entrada, del calor especifico de los gases, exceso de aire y principalmente del poder calorfico del combustible

Balance de Masa en Procesos de CombustinGASES DE COMBUSTINCENIZAS Y MATERIA INERTE (vidrio, metales, etc)CMARA DE COMBUSTIN(Reacciones Qumicas de Transformacin, Liberacin de Energa)AIRECOMBUSTIBLE(79% N2, 21 % O2)(Fuel Oil, Diesel, Materia Slida)CO2N2O2NOxSO2HClVOCsPartculas e InquemadosMasa Reactivos = Masa Productos

Depende del poder calorfico y del exceso de aire. Si no hubiese perdidas trmicas de diseo y temperaturas adiabtica.En la prctica se pierde calor tanto por acumulacin en las paredes, por perdidas hacia el exterior y por transferencia a la carga trmica .TEMPERATURA DE LLAMA .

E = m Cp (Tg-Ta)

E Cambio en flujo de Energam flujo de masaCp calor especifico de gases(1.1 kJ/kg C)Tg temp de llama Ta temp de aire

Asumiendo comportamiento de gas ideal

EFECTOS DE PAREDES DEL HORNO (HOGAR)PROPOSITO 1Confinar llamas y gases, permitiendo las reaccionesPROPOSITO 2Retener parte del calor de la combustin, retornndolo a la mezcla que ingresa por el quemador y permitiendo la estabilizacin trmica de la llama

IgnicinSe produce cuando la mezcla combustible libera al inflamarse, suficiente cantidad de energa para vencer las prdidas trmicas.Se aplica principio de la explosin trmica.

Lmites de Inflamabilidad La mezcla aire/combustible es inflamable en un cierto rango de valores.A presin normal ( aprox atmosfrica) existe un lmite superior de inflamabilidad y un lmite inferior en la relacin masa de combustible a masa de mezcla. El inferior se llama lmite de mezcla pobre y el superior lmite de mezcla rica. Para que la mezcla se inflame (combustionarse) esta deber encontrarse localmente ( punto a punto) dentro de los lmites de inflamabilidad. Regiones en las que esto no se emplee no combustionarn

Velocidad de llama Si se iniciase ignicin en un punto de una mezcla inflamable aire/ combustible, se formara un frente de combustin que se propagara con velocidad caracterstica Vfl. Para condiciones ambientales de la mezcla fresca, esta velocidad es del orden de fraccin de metro por segundo hasta unos pocos m/s.

Velocidad de llamaExample of a pulverised coal flame

.- Llamas de difusin.-

Llama de Pre-mezclaEsta se da cuando el combustible y el comburente (aire ) se Inter.-mezclan antes de llegar al frente de llama. En este caso el frente de combustin ocupa un volumen mayor.Los quemadores de gas para cocinas se tipifican como de llama de premezcla. La llama se forma en el interior del mechero.

Llama de Pre-mezcla

Reacciones Intermedias.- La combustin se da a travs de un conjunto de reacciones. Los principios se agrupan en los siguientes pasos:IniciacinPropagacinRamificacinTerminacin

Cintica de Reacciones.- las reacciones de combustin toman un tiempo dado que depende de temperatura y presin. Para tipificarse se utiliza la constante de reaccin, que mide la rapidez de reaccin. Su valor depende de la temperatura a la que se desarrolla la reaccin, as como de las concentraciones.

Elementos de Reacciones de Combustin

Equilibrio. Dado un tiempo suficiente, la reaccin tiende a un equilibrio entre la reaccin directa y reversa.La constante de equilibrio depende de la temperatura (exponencial) y de la presin, as como las concentraciones. Ver ms detalle en la bibliografa.

Combustin Industrial de Combustibles lquidos.-

Combustin Industrial de Combustibles lquidos.- La buena combustin requiere mezcla ntima combustible/comburente.Cuando el combustible es slido y se pulveriza previamente, se puede generar una mezcla de comburente (aire) y combustible suspendiendo las partculas.

Combustin Industrial de Combustibles lquidos.- Pero si el combustible es lquido, debe evaporarse previo a la combustin.

Un mecanismo es el trmico, induciendo evaporacin por calentamiento del combustible, que luego se mezcla en fase gaseosa con aire.

Combustin Industrial de Combustibles lquidos.-En este proceso, se procede primero a inducir una atomizacin de fluido, generando una nube de finas gotillas que se mezclan con el aire, donde se evaporen y ocurra la combustin en la zona de llama.En la atomizacin, la corriente fluida es forzada a continuar hacia el elemento atomizador, que recibe continuo lquido y emite una pelcula cnica

Combustin Industrial de Combustibles lquidos.-Las fuerzas viscosas fraccionan la lmina formando cilindroides de lquido que siguen fraccionndose bajo la accin de fuerzas viscosas y la corrosividad propia de las partculas fluidas. Finalmente se genera una fina nube de gotillas que se evaporan rpidamente conforme se acercan a la zona de combustin.

Combustin Industrial de Combustibles lquidos.-Figure 6: Example of a burner mixed natural gas flame

Caractersticas de Atomizadores Buen funcionamiento depende una buena combustin.La buena atomizacin depende, entre otras cosas, de:CaudalViscosidad del fluidoTensin SuperficialPresin de OperacinPresencia de partculas / substancias perturbadoras.

Caractersticas de AtomizadoresCombustibles pesados como fuel oil N6 deben calentarse para reducir su viscosidad. Adems, para estos casos se utiliza un segundo fluido, aire vapor para apoyar el fraccionamiento.

Caractersticas de AtomizadoresFigure 5: Example of a fuel oil flame

Problemas con mala atomizacin.- Mientras ms pequeas sean las gotillas, ms rpido se vaporizan, gotas demasiado gruesas (dimetro superior a 75 micrones) pueden no alcanzar a vaporizarse antes de llegar a la llama.

Las gotas finas poseen ms rea por unidad de masa, y se evaporan mucho ms rpido; pues evaporacin es un fenmeno superficial.

Problemas con mala atomizacin.-Si la gota llega a la cercana de la zona de llama sin evaporarse completamente, se forma una llama de difusin alrededor de la gota. Este acta como una envolvente, desde cuyo interior fluye combustible y por el exterior el oxgeno ( aire ):

Problemas con mala atomizacin.-Se forman residuos gomosos que son en definitiva hidrocarburos incompletamente quemados, parte de VOCs que salen por la chimenea se depositan en las paredes.

Cualquier elemento que afecte la atomizacin y evaporacin subsecuentemente tendr efecto sobre la generacin de contaminantes ( hidrocarburos mal quemados).

Quemador.- Es la unidad que indica la combustin. Para el caso de combustibles lquidos debe proveer la inyeccin de combustible por medio de bomba ( de engranajes ), as como insuflamiento de aire. Provee tambin el espacio para atomizacin y mezcla previa, as como para la combustin .Algunas veces incluye un bloque cermico refractario.La entrada de aire se da por el exterior de la boquilla de atomizacin, y se colocan labes inductores de giro ( swire )

Quemador.-

Quemador.-La presencia del bloque de quemador asegura que la llama se desarrolla completamente antes de enfrentar la carga trmica, caso contrario pueden generarse puntos fros de temperatura insuficiente para reaccin completa.

El atomizador es una unidad de tipo fluido-mecnico. Su funcin consiste en permitir que el combustible, que ingresa como una corriente fluida continua, se convierta en una niebla de pequeas gotillas de dimetro variable.El fraccionamiento se da por un efecto de interaccin fluido-dinmica, por ejemplo por doble fluido (combustible y vapor o aire caliente), combinado con paso por pasajes tortuosos , impactacin contra placas y cambios bruscos de direccin.

09.- Las gotillas as formadas, que se emite como una fina sbana cnica de fluido y se fracciona subsecuentemente en gotillas ms y ms finas.

La distribucin va desde dcimas de micra (micro-metros) hasta unos pocos centenares de micras.

Las gotillas muy finas (orden de una micra o menos) se evaporan muy rpidamente, mientras que las gotillas de dimetro cercano a 100 micras o superior tienen dificultades para evaporarse.

10.- La nube de gotillas se va acercando a la zona de llama y se evapora. Si las gotas son muy gruesas (mayor a 100 micras) pueden llegar a la zona de llama todava como gotillas lquidas, atravesando la llama con combustin de llama de difusin, es decir que se forma una llama alrededor de la gota en la envolvente en que se junta el combustible evaporado y el oxgeno del exterior. Esto aumenta rpidamente la temperatura en el interior de la gota, esta se piroliza y descompone trmicamente, generando un ncleo gomoso con restos de hidrocarburo mal quemados (NMHC). Estas gotas se perciben visualmente como incandescencias que atraviesan la llama. Esto contribuye a la formacin de contaminantes.

Boquilla de alimentacin mecnica 1Configuracin de la boquillaEfecto atomizador

Viscosidad fuel SSUPresin lnea fuel psigCaudal galn/HTurn down ratioAire Atomizacin Scf aire/galn fuelLlama/ cmara

Contenidos de slidos

Orificio simple, movimiento ciclnicoMezcla comprimida con chorro fluido ciclnicoHasta 10075 15010 -1002.5:1 a 3.5:1 N/PLlama corta, baja velocidad , cmara grande

Boquilla de alimentacin mecnica 2

Configuracin de la boquillaEfecto atomizador

Viscosidad fuel SSUPresin lnea fuel psigCaudal galn/HTurn down ratioAire Atomizacin Scf aire/galn fuelLlama/ cmaraContenidos de slidos

Taza RotativaExtremo abierto, movimiento ciclnicoIntroduccin de aire de combustin con lamina ciclnico Hasta 300 baja 5 -300 5:1 N/PN/P

Hasta 20%


Viscosidad fuel SSUPresin lnea fuel psigCaudal galn/HTurn down ratioAire Atomizacin Scf aire/galn fuelLlama/ cmara

Contenidos de slidos

ChorroChoque externo de chorro fuel con chorro de aire 200 -1500 Menos 1.5 psig

400-1000 Scfa aire/ galn fuelLlama corta, cmara pequea

Hasta 30%

Quemador de atomizacin para aire externo de baja presin

Quemador de doble fluido externo de alta presinConfiguracin de la boquillaEfecto atomizador


ChorroChoque externo no fuel con aire

150 -5000 30- 150 psig

3:1 a 4:12-5 lb /galn-fue

Hasta 70%



Spray cnicoImpacto de una mezcla de fuel con fluido de atomizacin antes de emerger Hasta 100

3:1 a 4:1

bajo

Boquilla de mezcla interna

Diagrama de Ostwald (1)El diagrama de Ostwald es la graficacin de las concentraciones volumtricas de los varios componentes de los gases de combustin: CO2, O2, CO. Se incluye adems el exceso de aire.

En la prctica, los quemadores industriales operan entre el 5 y 35% de EA. La mayora produce muy poco CO (menos de 0,2%). En tal caso puede asumirse la lnea de combustin completa.

A partir de clculos tericos estequiomtricos es posible construir el diagrama de Ostwald. Para un combustible de composicin conocida, se requiere de una sola medicin (usualmente % O2) para conocer el EA.

Diagrama de Ostwald

Diagrama de Sankey (1)El diagrama de Sankey, muestra en forma global un balance energtico a un sistema trmico de combustin, a manera de franjas que representan, segn su anchura, la cantidad de energa correspondiente, segn su direccin, al destino final de esa energa.

Se trata de establecer un balance trmico entre la energa qumica provista por el combustible y la energa utilizada por el sistema.

Energa Qumica del combustibleEnerga Transferida a la Carga TrmicaPrdidas TrmicasCalor Sensible de GasesEnerga Perdida por Ineficiencias de Combustin+++

Diagrama de Sankey (2)

Productos de Combustin.-Figure 2: View of fire-bed in a stoker fired boiler

Productos de Combustin.- Los principales productos de combustin de combustibles hidrocarburferos son:CO2, H2O, N2, O2CO, SOx, NOxHolln, fly ash, HC mal quemados.Metales fundido /solidificado

Productos de Combustin.-

Formacin de Partculas en Combustin

Formacin de Incrustaciones en Combustin de Fuel Oil Pesados

Mediciones Importantes en CombustinLas siguientes son las principales mediciones recomendadas para un anlisis de combustin de hidrocarburos:

Temperatura del combustibleConcentracin de O2Concentracin de CO2Temperatura de GasesNiveles de HumosAnlisis Visual de Llama

Mediante tales mediciones se puede establecer si se est manteniendo una adecuada combustin, y por ende los ajustes necesarios al proceso para obtener mejoras en su eficiencia.

Reduccin de SOx. Se logra reduciendo el contenido de azufre del combustible. El fuel oil pesado y el diesel local contienen entre 1 al 3 % , si bien las entidades gubernamentales vinculadas a produccin de combustible indican que el mximo es 1.8 %. Una vez generado, es complicado extraer el SOx. Debe usarse lavado de gases o procesos catalticos/ qumicos.

Formacin de NOx

El NOx puede formarse tanto a partir del Nitrgeno del combustible como del Nitrgeno molecular del aire. La formacin de N2O, NO2y NO3 tiende a aumentar con la temperatura.Por tanto, aquello que reduzca la temperatura reduce la formacin de NOx. Vase referencias sobre los varios mecanismos. Nota: Se requiere temperatura para completar la reaccin, excepto en combustin fresca que se da usando catalizadores. Por otro lado, una mayor temperatura permite mayor tasa de transferencia de calor. Del modo que deber buscarse un punto de equilibrio.

Formacin del CO.- Normalmente no debiera darse CO en combustin industrial, en la que se usa 15- 25 % de exceso de aire. Monxido de carbono se da en motores de combustin interna. Sin embargo, de descalibrase el caldero al operar a baja carga podra darse operacin con dficit de aire que conduce a presencia de CO.

Chimeneas.- Los gases de combustin deben ser ductados hacia la atmsfera. Para ello se usa la chimenea. Su funcin es doble: inducir fuego y emitir los gases lo ms lato posible ( con la esperanza que se dispersen los contaminantes antes que retorne la estela al suelo )

Chimeneas.-La chimenea es bsicamente un ducto vertical. En su diseo debe asegurarse que sobresale de las estructuras colindantes para que la estela de humos no sea arrastrada a suelo por las burbujas de recirculacin que se forma corriente debajo de cuerpos fluido-dinmicamente abruptos.

Tiro. Es la presin negativa que se genera por la temperatura de gases de combustin y presencia de la chimenea.Gases calientes son menos densos que aire ambiental y se genera, flotabilidad (boyantez). Esto genera efecto de aspiracin, que tiende a extraer los gases de la cmara. La diferencia de presiones se denomina tiro.

Chimeneas.-Mientras menor sea la distancia de la chimenea a las estructuras aledaas , mayor deber ser la altura de la chimenea.Altura mnima de chimenea: 8 metros. Elevacin mnima de chimenea sobre estructuras colindantes: 4 metrosSi la chimenea est dentro de la burbuja de recirculacin, la elevacin mnima ser la de medio ancho de la estructura circundante.Por ejemplo, si el ancho de la estructura fuese 20 metros, la chimenea deber elevarse 10 metros por encima.

Clasificacin de chimeneas y conductos para evacuar humos o gases de combustin y fluidos calientes Las chimeneas y conductos para evacuar humos o gases de combustin y fluidos calientes se clasifican como de baja, media y alta temperatura, midindose sta en la entrada de los gases :

Altura del remate de una chimenea o conducto para evacuar humos o gases de combustin, fluidos calientes, txicos , corrosivos o molestos Una chimenea o un conducto para evacuar humos, gases de combustin, fluidos calientes, txicos, corrosivos o molestos, tendr su remate a las alturas ms abajo especificadas.

Altura del remate respecto de azotea o techo:

El remate o boca se ubicar, respecto de una azotea o techo, a la altura mnima siguiente: 1. 2,00 m sobre una azotea transitable. 2. 0,60 m sobre una azotea no transitable o techo cuyas faldas tengan una inclinacin hasta el 25%. 3. 0,60 m. sobre las faldas de un techo inclinado ms del 25% y adems, 0,20 m por encima de cualquier cumbrera que diste menos que 3,00 m del remate.

Altura del remate de una chimenea o conducto para evacuar humos o gases de combustin, fluidos calientes, txicos , corrosivos o molestosb) Altura del remate respecto del vano de un local: El remate de una chimenea estar situado a un nivel igual o mayor que la medida Z, respecto del dintel de una vano de un local:

Construccin metlica:La obra metlica de una chimenea o conducto ser unida por roblonado, soldadura u otro sistema igualmente eficaz.El espesor mnimo de la pared ser:

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