Trabajo De Combustion

COMBUSTIÓN

Definición

La combustión (quemado) consiste en una reacción química de oxidación en unos elementos combustibles, principalmente carbono (C), hidrógeno (H), y azufre (S), se combinan con oxígeno. La reacción se verifica con un gran desprendimiento de energía, en forma de calor y luz. A continuación se presentan las reacciones principales que se producen en el quemado de un combustible, apareciendo reflejados reactantes y productos, además del calor desprendido en la misma.

C + O2 → CO2 + 32840 kJ / kg. de Carbono.

2 C + O2 → 2 CO + 9290 kJ / kg. de Carbono ( combustión parcial )

2 H2 + O2 → 2H2O + 119440 kJ / kg. de Hidrógeno.

S + O2 → SO2 + 9290 kJ / kg. de Azufre

Como podemos ver los productos principales de la combustión son el dióxido de carbono (CO2) y el agua (H2O).

Combustibles

Se denominará combustible a toda aquella sustancia que por su composición haga posible la combustión de la misma, verificándose un desprendimiento de energía.

La reacción de combustión como hemos visto requiere de la presencia de unos elementos combustibles (C, H, S…) que reaccionen con el oxígeno, que será denominado elemento comburente.

La práctica totalidad de los combustibles usados hoy en día industrialmente son del tipo orgánico, donde el Carbono e Hidrógeno son los elementos predominantes en su composición.

Los combustibles se clasifican en función del estado físico que presentan habitualmente.

La razón de esta clasificación se debe a que las técnicas y equipos a utilizar en la combustión dependerán del estado físico del combustible.

CLASIFICACION DE LOS COMBUSTIBLES INDUSTRIALES

1. Madera y residuos.

2. Naturales Turbas.

3. Sólidos Carbón Lignitos.

4. Artificiales Hullas.

5. Antracita.

6. Alcoholes.

7. Naturales.

8. (Fermentación e Hidrólisis).

9. Artificiales.

10. Líquidos Residuales Por ejemplo, lejías negras.

11. Derivados del petróleo Gasóleos.

12. Fuel-óleos.

13. Residuales Fuel-gas.

14. Gas natural Diferentes familias.

15. Gases líquidos del petróleo (GLP).

16. Propano y butanos.

17. Gas de horno alto.

18. Gaseosos Gas de coquería.

19. Gas pobre.

20. Artificiales o elaborados Gas de agua GNS.

21. Gases de gasógeno.

22. Gas ciudad.

23. Biogás.

En los hornos y calderas industriales se pueden utilizar un amplio abanico de combustibles líquidos y gaseosos. Los combustibles líquidos van desde hidrocarburos ligeros hasta corrientes de residuos pesados de la torre de vacío. Los combustibles gaseosos contienen una mezcla de componentes que pueden ir desde el hidrógeno hasta el butano.

La mayoría de los quemadores utilizados en plantas industriales son del tipo combinado, quemando simultáneamente gas y fuel-oil, pudiendo trabajar también alimentado con un sólo combustible.

Mecanismo de la combustión

El mecanismo de combustión varía según el tipo de combustible que se desee quemar.

Así podremos distinguir entre combustión homogénea en la que el combustible a quemar es gaseoso, y combustión heterogénea en el caso de combustibles sólidos y líquidos.

En la combustión homogénea, la reacción química comienza tan pronto como la mezcla de combustible y aire tiene lugar. La mezcla del combustible con el aire se produce a consecuencia de la turbulencia que se induce en la corriente aire/gas a la salida del quemador y las diferencias de densidad entre la llama y los alrededores.

La combustión heterogénea necesita un mayor tiempo de ignición, requiriendo los combustibles líquidos una atomización previa a la combustión.

Para comprender mejor el mecanismo de combustión heterogénea presentamos el caso de la combustión del fuel-oil.

La combustión del fuel-oil comienza por los componentes más ligeros que se vaporizan tan pronto como las gotas de combustible salen del atomizador y entran en la zona de combustión. El residuo pesado que queda sufre una pirolisis debido a la alta temperatura de la combustión causando la formación de humo. Una atomización insuficiente del fuel oil resulta en un goteo de combustible que no se quema. El carbón residual o coque que Queda tras la pirolisis es arrastrado al exterior en forma de partículas sólidas. Idealmente, la materia carbonosa debería quemarse completamente con objeto de reducir al mínimo posible las partículas sólidas arrastradas por los gases de combustión. En la práctica, en el caso de un horno de refinería las partículas sólidas arrastradas por los gases de combustión contienen habitualmente más de un 90% o más de material carbonoso.

Aire de combustión

El Oxígeno necesario para la combustión, normalmente, es suministrado a través de una corriente de aire.

Para conseguir la combustión completa del combustible tenemos que garantizar que existe el suficiente Oxigeno para ello. Para conocer la cantidad de oxígeno necesario recurriremos a estudiar la estequiometría de las reacciones de combustión.

Por ejemplo, la reacción química que se produce en la combustión de un hidrocarburo simple como el metano se puede expresar como: CH4 + 2 O2 ---------- CO2 + 2 H2O

En la ecuación vemos que para quemar un mol de metano es necesario suministrar 2 moles de O2, o lo que es lo mismo para quemar un metro cúbico normal de metano necesitaremos dos metros cúbicos normales de Oxigeno.

A efectos prácticos consideraremos el aire compuesto, en volumen, por un 21% de Oxígeno y un 79 % de Nitrógeno (gas inerte que no contribuye a la combustión). Por ello el volumen de aire a aportar al sistema es aproximadamente cinco veces el volumen de Oxígeno necesario.

Una operación de combustión como ésta se llamaría completa y perfecta. La operación sería completa porque todo el carbono se habría convertido en dióxido de carbono (CO2) y todo el hidrógeno en agua (H2O). También sería perfecta por haber cantidad suficiente de oxígeno para quemar todo el carbono y el hidrógeno sin que quedase oxígeno o aire.

Un ejemplo de combustión completa, pero no perfecta, sería la siguiente:

CH4 + 3 O2 ---------- CO2 + 2 H2O + O2

Aquí tenemos más oxígeno del necesario, el horno trabaja con un exceso de aire.

En la combustión es crítica la relación combustible-oxígeno (aire). Si esta relación es muy pequeña, el combustible será muy pobre para quemarse y si es excesivamente grande, la mezcla será excesivamente rica para arder. El límite de la relación combustible-oxígeno se llama límite de inflamabilidad del combustible.

Factores de los que depende una correcta combustión

En la práctica no nos interesará tener una combustión perfecta, sino tener la máxima eficiencia de la combustión posible.

En cualquier proceso de combustión se debe presentar atención a los siguientes tres puntos:

1. Hay que preparar el combustible para su combustión; si es líquido hay que atomizarlo previamente.

2. Hay que asociar el combustible y el aire en las proporciones adecuadas, en el momento y a la temperatura correcta para el encendido y la combustión.

3. Se debe procurar mantener una cantidad suficiente de calor en la zona de combustión, con el objeto de mantener una temperatura en el hogar que me permita una adecuada vaporización del combustible.

Los quemadores de gas sólo necesitan establecer la proporción de los volúmenes de aire y gas, y asegurar su íntima mezcla. Pero los quemadores de fuel-oil tienen que preparar el combustible fragmentándolo en pequeñas partículas para dejar expuesta la máxima superficie posible a fin de que el calor del horno lo convierta rápidamente en vapor.

Las operaciones de mezcla, encendido y combustión se producen en el pequeño intervalo de tiempo que emplean el combustible y el aire en trasladarse desde el quemador hasta la entrada a la chimenea. Este intervalo de tiempo depende de la distancia recorrida y de la velocidad y grado de turbulencia.

La turbulencia describe aquella condición en que el combustible y el aire giran en remolinos siguiendo vías irregulares desde el quemador hasta la entrada de la chimenea.

Es deseable una corriente turbulenta , porque la distancia total que recorre el vapor aumenta al seguir un camino irregular, con lo cual aumenta el tiempo disponible para la combustión.

Hemos resumido la combustión como dependiente de “tres T” : tiempo, temperatura y turbulencia.

Quemadores

Para poder utilizar el calor liberado en la combustión es necesario controlarlo. El quemador es un dispositivo mecánico diseñado para producir una llama estable, con una forma y tamaño predeterminados. Los combustibles líquidos se rompen en pequeñas gotas por medio de un atomizador. Fuel-oil y gas se introducen dentro de la corriente de aire de combustión para asegurar una buena mezcla y estabilizar la base de la llama.

La gama de combustibles, líquidos y gaseosos, que se queman en este tipo de elementos es tremendamente amplia. El diseño del quemador varía dependiendo de la clase de combustible a usar, ya que el tratamiento del mismo para conseguir una buena combustión es diferente.

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