Combustion

COMBUSTION

Los procesos de combustión consisten en una reacción química de oxidación en la cual uno de los reactantes es prácticamente gratis y está disponible en grandes cantidades – como el oxígeno del aire – mientras que el otro reactivo es cada vez más costoso con el transcurrir de los años y son los recursos no renovables como el gas natural, petróleo, carbón, etc.

Los combustibles se encuentran en los tres estados de agregación:

• Sólidos. Los combustibles sólidos son carbones y contienen carbono elemental, compuestos orgánicos complejos de estructura desconocida y material mineral no combustible. Estos compuestos orgánicos contienen carbono, hidrógeno, oxígeno, azufre y nitrógeno, mientras que el material mineral está formado por sustancias no combustibles que forman la ceniza. Su composición se expresa generalmente en peso.

• Líquidos. Los combustibles líquidos son aceites pesados y livianos que se obtienen en la refinación del petróleo y están formados de compuestos de estructura conocida, pero de un peso molecular superior al de los combustibles gaseosos, y en cuya composición entran fundamentalmente el C, O, H con trazas de algunos compuestos como el azufre y el nitrógeno. Su composición se expresa en porcentaje en peso.

• Gases. Los combustibles gaseosos pueden ser puros – naturales – o el producto o subproducto de un proceso industrial, y están formados de carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno. Su composición se expresa en base molar o volumétrica.

1.1 Combustión incompleta:

Teóricamente, se espera que en una combustión todo el carbono presente se queme para formar CO2 mientras que el hidrógeno forme agua. Sin embargo, en las operaciones se presentan ineficiencias, las cuales pueden ser debidas a pérdida del material cargado o a combustión incompleta o parcial del combustible como por ejemplo, quedar parte del combustible sin reaccionar o la oxidación parcial del carbono dando como producto el CO. Esta ineficiencia se determina mediante análisis que se explicarán más adelante.

Al hablar de la combustión teórica, es necesario hacer la definición de algunos términos especiales involucrados en la operación.

• Aire teórico o cantidad de oxígeno teórico. Es la cantidad de aire (o de oxígeno) necesario para la combustión completa. También se le denomina aire (u oxígeno) requerido.

• Exceso de aire (o exceso de oxígeno teórico). Es la cantidad de aire (o de oxígeno) adicional al teórico que se alimenta para efectuar la combustión completa. Se calcula en forma independiente de la conversión en la reacción. El objetivo de este exceso es mejorar la combustión consiguiendo que una mayor cantidad de carbono se transforme a CO2.

• Aire o Oxígeno consumido. Se denomina así a la cantidad total de oxígeno que se consume durante la combustión real.

• Aire o Oxigeno sumistrado: igual a la suma del aire teórico más el aire en exceso.

El exceso de oxígeno se debe calcular sobre la base exclusiva de una combustión completa, es decir, sobre la formación de CO2, aún cuando durante la reacción se esté llevando a cabo la formación de CO y CO2 simultáneamente. El porcentaje de exceso de aire es idéntico al porcentaje de exceso de oxígeno y se calcula así:

1.2 Gases de chimenea

• Gases de chimenea húmedos. Son todos los gases que resultan de la combustión, incluyendo el vapor de agua. Su composición se expresa en base molar y se les denomina también como gases en base húmeda.

• Gases de chimenea secos. Se refiere a los gases producidos en la combustión y cuya composición se reporta en base seca, es decir, sin incluir el vapor de agua. Se expresa en base molar y su composición se evalúa mediante un análisis Orsat.

1.2.1 Análisis Orsat(base seca)

Este análisis suministra la composición volumétrica de los gases en base seca y fue originalmente desarrollado para hacer una determinación rápida del contenido de CO2, O2 y N2 como productos de la combustión.

El método se ha perfeccionado y hoy incluye la determinación de otros gases. Una muestra del gas (100 ml) se envasa en una bureta especial donde se deposita encima de un líquido (Figura). Se deja que la muestra esté en equilibrio térmico con los alrededores y se satura con vapor de agua. De este modo, casi todo el vapor de agua presente en un gas caliente se condensa.

• La muestra se pasa entonces repetidamente por una solución al 30% de KOH el cual absorbe el CO2. El volumen residual se lee y la pérdida de volumen dividida por el volumen de muestra original es la fracción volumétrica (o molar) del CO2 en el gas original en base seca.

• El gas remanente se burbujea repetidamente a través de una solución alcalina de pirogalol, la cual absorbe el O2 rápida y completamente. La pérdida de volumen que se halla aquí, dividida por el volumen de muestra es la fracción en volumen de O2 libre en base seca.

• El CO se determina por absorción en una solución ácida de cloruro cuproso (CuCl), haciendo burbujear el gas remanente de las dos operaciones anteriores.

• El gas residual es nitrógeno, aunque si hay otros gases no solubles en los reactantes anteriores (H2 por ejemplo) éstos quedan con el N2.

1.3 Diagrama de la combustión

El esquema mostrado en la Figura 8.4, presenta todas las corrientes tanto de entrada como de salida en un horno de combustión.

Cuando el combustible es sólido, se producen unos residuos denominados escorias, las cuales están formadas por el material no combustible (cenizas) y compuestos que no han reaccionado, formados por los mismos componentes del carbón, es decir, carbono, hidrógeno, oxígeno, azufre y nitrógeno, estos dos últimos en cantidades despreciables. Los combustibles gaseosos o líquidos no contienen cenizas y, por lo tanto, no producen escorias o residuos sólidos.

Como se ha expresado anteriormente, existen elementos o ligas de correlación entre corrientes, lo que permite relacionarlas para el desarrollo de los cálculos. En este caso, los elementos claves son los siguientes:

...