Combustión Estequiométrica

Combustión

Es la conversión de la  energía química,  contenida en combustibles tales como carbón, petróleo o madera, en calor  a través de un proceso de oxidación. En contraste con la mayor parte de las reacciones, que deliberadamente se llevan a cabo, esta reacción no se provoca con la intención de  obtener los productos sino para aprovechar la energía que libera. Esta reacción de oxidación  tiene la particularidad de ser muy  exotérmica y que se realiza rápidamente.

Para que ocurra la combustión deben coexistir tres requisitos:

a.- La existencia de un combustible, el cual tiene una alta afinidad para combinarse con el oxígeno

b.- La presencia de oxígeno como el agente comburente que provoca la reacción

d.- Que el combustible alcance la temperatura de ignición

Estos tres requisitos están íntimamente correlacionados en toda combustión. Para una determinada temperatura de combustión existe una proporción exacta de combustible y comburente que determina la reacción óptima, de tal forma que las desviaciones sobre estos valores modifica la calidad de la combustión, hasta el extremo  que la ausencia de  cualquiera de uno de estos tres, impide que se produzca la combustión. Al analizar la forma de combatir y apagar un incendio, estos tres requisitos definen el denominado triángulo del fuego, que visualiza las vías para reducir o eliminar el área de fuego que encierra el triángulo.

Bastará ir disminuyendo el valor de uno sólo de los lados del triángulo para reducir y extinguir la combustión: eliminando el combustible como se hace cuando impedimos que el fuego avance hacia nuevas sustancias; eliminando el oxígeno como se hace ahogando la combustión con arena, una manta o la espuma de un extintor; enfriando las sustancias combustibles, a objeto de ralentizar y detener la reacción de oxidación, como se hace cuando se le arroja agua.

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No todas las sustancias arden o se queman con la misma facilidad. Las hay  las que necesitan predisponerse mediante precalentamientos o mediante la presencia de otros reactivos que faciliten la combustión; pero para definir un combustible como tal no sólo debemos analizar su facilidad de combustión, sino añadir otras cualidades que lo habiliten de una forma genérica para su empleo  como combustible, como son: La abundancia para su comercialización.• La facilidad de manipulación que no implique riesgos.• La simplicidad de su composición molecular que minimice el impacto ambiental de sus residuos. Por ejemplo, el hidrógeno y el fósforo son extraordinarios combustibles que reaccionan vivamente en presencia del aire, pero su costoso proceso de obtención, elevado riesgo en su transporte y la toxicidad de los gases de combustión del segundo, hacen inviable su aplicación como combustibles comerciales.

• .CLASES DE REACCIONES DE COMBUSTIÓN:
• .- Combustión ESTEQUIOMÉTRICA
• .- Combustión INCOMPLETA o imperfecta
• .- Combustión COMPLETA

Combustión Estequiométrica

Es aquélla que se produce cuando el aire empleado aporta la cantidad justa o exacta de oxígeno, para que todos los reactivos se transformen en productos. Para que la estequiometría se cumpla, hay que considerar todos los elementos que sufren la reacción de combustión en el combustible. Cuando la reacción tenga lugar totalmente, entonces no habrá H, O, S y C, ya que estos se transformarán en productos correspondientes que irán en los gases de combustión.

La cantidad mínima de oxígeno necesario para quemar completamente todos los componentes combustibles depende de la composición del combustible. Por ejemplo 1 kg de carbón necesita 2,67 kg de oxígeno para quemarse completamente, 1 kg de hidrógeno necesita 8 kg de oxígeno, no obstante 1 kg de azufre sólo necesita 1 kg de oxígeno.

Combustión Incompleta

Es aquélla  que por deficiencia en el suministro de aire no hay suficiente oxígeno para que se produzca la oxidación total del carbono. Esto quiere decir que no todo el carbono se va a transformar en CO2 y aparecerá como producto de combustión el CO. Aparecen entonces los inquemados, los cuales se definen como la materia combustible que ha quedado sin quemar o parcialmente quemada. Pueden ser de dos clases:

• .- Sólidos: Carbono (hollín). Provocan un ennegrecimiento de los humos de combustión
• .- Gaseosos: CO, H2

Cuando aparecen inquemados es señal de que no se ha aprovechado bien el combustible, por lo que la combustión que se está realizando es mala y se deben tomar medidas de algún tipo para mejorarla.

• Combustión Completa con Aire en Exceso

Para que se produzca una combustión completa se hace necesario aportar un exceso de aire, es decir, de oxígeno. El exceso se realiza sobre la cantidad estequiométricamente necesaria para que todos los productos combustibles sufran la oxidación (tanto el C como el O y el H). En este caso no se van a producir inquemados. En la práctica se hace difícil conseguir la combustión completa. Por ello es necesario aportar un exceso de aire. El exceso de aire se define como la cantidad de aire por encima del teórico que hay que aportar para que se realice la combustión completa del combustible.

Por consiguiente el rendimiento más elevado de combustión se consigue con un exceso (limitado) de volumen de oxígeno, es decir, ex. aire >1 (atmósfera oxidante). El exceso de aire es de gran importancia para un proceso de combustión óptimo y para un funcionamiento económico de la planta pero la cantidad de aire en exceso debe ser adecuada ya que:

.- Elevados volúmenes de exceso de aire reducen las temperaturas de combustión y aumentan la pérdida de energía, la cual es liberada a la atmósfera a partir de los gases de combustión calientes.

.- Con un pequeño exceso de aire algunos componentes del combustible no se

queman. Esto significa un rendimiento de combustión reducido y un aumento de la polución al emitir los componentes inquemados a la atmósfera.

• El porcentaje de aire en exceso varía según el estado físico del combustible:

Sólido (25 – 30 %)  líquido  (10-20%)  gas  (5 – 10%)

• Poder calorífico

La unidad que se emplea para medir la cantidad de calor producido en la combustión se llama poder calorífico. Se entiende por Poder Calorífico de un combustible la cantidad de calor producida por la combustión completa de un kilogramo de esa sustancia.

Si la temperatura de los productos finales de combustión es tal que el vapor de agua formado continúa en fase gaseosa, se le llama Poder calorífico Inferior  (PCI) del combustible. Si la temperatura de los productos finales es suficientemente baja como para que el vapor de agua se condense, se le llama Poder calorífico Superior (PCS).

Poder calorífico de algunos combustibles:

• Combustibles

Están disponibles en diferentes formas y composiciones:

.- Los combustibles sólidos (carbón, hulla turba, madera) contienen carbono, hidrógeno (H2), oxígeno (O2), y pequeñas cantidades de azufre (S), nitrógeno (N2), y agua (H2O). El mayor problema cuando se manejan estos combustibles es la formación de grandes cantidades de ceniza, partículas y hollín. Cuando se quema carbón,  además pueden estar presentes en los gases de combustión metales pesados además de HCL y HF.

La buena o mala combustión del sólido depende de la facilidad de acceso del aire a las partículas del combustible. Estas deben estar distribuidas uniformemente sobre la superficie de combustión.

.- Los combustibles líquidos principalmente derivan del petróleo y pueden clasificarse en combustibles ligeros, medianos y pesados (nafta, kerosen, gasoil, fuel oil). La temperatura del combustible líquido debe ser la adecuada, si es baja no habrá una buena atomización y si es alta se formara escoria en la salida de los inyectores.

.- Los combustibles gaseosos : El estado gaseoso es el que mayor facilidad brinda para que se produzca una eficiente combustión. La facilidad de acceso del aire a las partículas gaseosas hace que la combustión se realice en forma rápida (explosión).

Es importante conocer la composición del combustible para un proceso de combustión óptimo y económico. Aumentar el porcentaje de componentes  no combustibles (inactivos) reduce  el valor calorífico neto y aumenta la contaminación de las paredes del horno. Incrementar el contenido de agua es aumentar el punto de rocío y consumir parte de la energía generada para evaporar el agua de los gases de combustión. El azufre contenido en el combustible se quema/oxida a SO2, y SO3, el cual, a temperaturas inferiores al punto de rocío, puede provocar la formación de ácidos sulfúricos y sulfurosos agresivos.

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