Fundamentos de la Combustiуn

1
Fundamentos de la Combustión
Laboratorio de Procesos Ambientales Departamento
de Ingeniería Química Facultad de Ciencias
Físicas y Matemáticas Universidad de Chile

• Leandro Herrera, Ph.D. Wales
• 22 y 23 de Junio 2004
• Santiago de Chile

2
Energía en el Planeta Tierra

• Bajo costo económico de la Energía ? Alta
  disponibilidad de Fuentes de Energía
• Crecimiento económico (industrias población)?
  Mayor consumo de energía? Mas productos
  colaterales (gases calor etc)? Eventual
  limitación de las fuentes? Mayor costo de la
  Energía? Limitación de proyectos por falta de
  energía.

3
Fuentes de Energía del Planeta

• El planeta Tierra dispone de una sola fuente de
  energía el sol
• Exceptuando la energía nuclear y la del calor
  propio del centro de la tierra, tanto las fuentes
  de energía clásicas como las alternativas
  provienen de la energía que se recibe del sol
  (que es, a su ves, una reacción nuclear).

4
Energías típicas de la industria()

• Carbón Biomasa vegetal fosilizada
• Petróleo Productos de fermentación de orgánicos
• Gas Natural Productos de fermentación de
  orgánicos
• ... Por ende Provienen todas del sol

5
Energías Alternativas

• Algunas formas del sol y otras no - solares
• Hidroeléctrica (ciclo del agua por evaporación
  solar)
• Luz solar y calor
• Vientos (diferencias de temperatura en sectores
  del planeta)
• Mareas (atracción gravitacional de la luna)
• Geotérmica (calor remanente en el centro de la
  tierra primigenia)
• Seguramente veremos pronto aparecer el hidrógeno
  gaseoso como una forma común de energía
  transportable y/o para acopio de energía cíclica

6
Fuente clásica BIOMASA

• La vida en el planeta Tierra se basa en el
  carbono
• La combustión (química o por llama) de orgánicos
  produce CO2
• Los autótrofos sintetizan orgánicos usando CO2,
  luz o sales
• Hay un ciclaje permanente de carbono en el
  planeta
• Se dice que fotoautótrofos fijan carbono

7
Fotosíntesis
6CO2 6H2O ? C6H12O6 6O2
Síntesis de azúcares, que luego constituyenel
soporte estructural y las moléculas nece-sarias
para la vida. 6 moléculas de dióxido de
carbono 6 moléculas de agua dan origen a 1
molécula de azúcar 6 moléculas de
oxígeno Combustión al revés?
8
Combustibles Fósiles

• Así visto, la humanidad encontró un gran acopio
  de biomasa procesada hasta la forma de
  combustibles (600 millones de años de ahorro de
  energía solar como biomasa)
• La combustión es la reacción inversa de la foto
  síntesis, por ende recupera la energía de la
  molécula en la forma de calor.
• El gasto de esta cuenta de ahorro ha sido
  rápido
• Enfoque SUSTENTABLE

9
Crisis energética 1970()

• Reunión de presidentes
• Analizan que el petróleo se terminará (antes del
  año 2000)
• Por qué falló la predicción?
• Qué hemos hecho al respecto?
• Optimización de procesos energéticos(p.e.
  Automovil de 4 a 20 Km/L)
• Optimización debe continuar, al tiempo que se
  utilicen nuevas fuentes (no sólo energía...)

10
Ecología y economía

• Dali subsistema económico en el sistema
  ecológico de escala planetaria Crecimiento tiene
  límites naturales

Fotosintetizadores Fermentadores
Bacterias y otros
11
Sustentabilidad en los años 90 Se asemeja al
control de calidad de los 80

• Resistencia y desconocimiento inicial
• Objetivos parecían quimeras (sin defectos / Sin
  emisiones) y luego fueron normas operacionales
  comunes
• Grandes innovaciones en procesos y productos (no
  sólo cumplir con las exigencias)
• Ambos objetivos exigen trabajadores mas
  comprometidos, entrenados y educados (formación
  contínua)
• El personal tiene mas responsabilidades

12
Combustibles se combustionan

• Para continuar el legado de la optimización,
  aplicado a calderas, es necesario comprender un
  sinnúmero de aspectos, entre los que los
  principios de combustión conforman la base para
  comprender e innovar hacia aspectos operacionales
  concretos

13
Energía transportable Vapor

• Si falta energía cinética, generar energía
  eléctrica ?generación de vapor
• Energía química por combustión y transferencia de
  calor genera vapor de agua
• Vapor acciona la turbina de un generador
  eléctrico, convirtiendo finalmente la energía del
  combustible en energía eléctrica

14
Combustión

• proceso químico oxidación con oxígeno
• libera importantes cantidades de energía
• mezclas gaseosas combustión procede como
• una onda que se propaga a partir de un punto
  localizado de ignición
• o puede ocurrir casi simultáneamente en toda la
  mezcla

15
mecanismo de reacción

• reacciones en cadena por radicales libres
• reacciones elementales de iniciación de la
  cadena,
• reacciones de propagación y
• reacciones de terminación.
• Las reacciones elementales pueden ser
• unimoleculares (participa una sola molécula),
• bimoleculares (con participación de 2 moléculas
  típicamente una colisión doble) y
• trimoleculares (participan 3 moleculas o 2
  moléculas y la pared del reactor o una
  superficie)

16
p.e. Combustión de hidrógeno
17
p.e. METANO
(1) Formaldehído, HCHO
18
Explosión controlada

• Podemos decir que la combustión tiene lugar
  cuando las reacciones de oxidación se realizan en
  condiciones de alta velocidad (explosión
  controlada) hasta completarse el el reactivo
  desde el punto de vista estequiométrico
  (concentración oxígeno, temperatura, tiempo, etc)

19
Reactantes y mezcla

• El proceso de combustión es realizado de manera
  práctica por mezclado de combustibles y aire a
  elevadas temperaturas
• El oxígeno del aire puede reaccionar químicamente
  con
• el carbón,
• el hidrógeno y
• otros elementos presentes en menor cantidad en
  el combustible
• para producir calor

20
Principios fundamentales de Operación

• Suministro de Aire
• Mezcla Combustible / Aire
• Temperatura (de Ignición de Combustión)
• Tiempo de Reacción
• Combustible específico
• Carbón
• Petróleos
• gas

21
Control del suministro de aire

• La cantidad de aire según combustible,
  equipamiento y condiciones de operación
• Es recomendado por el fabricante y por pruebas
  reales en operación
• Exceso de aire ? descarga gases excesivamente
  calientes a la chimenea (pérdida de calor)
• Deficiencia en aire ? parte del combustible no se
  quema (o parcialmente) y pasa a través del hogar
• Es muy importante determinar y mantener la mejor
  relación aire/combustible para lograr la máxima
  eficiencia

22
Mezcla del aire y el combustible

• El aire y el combustible deben mezclarse
  perfectamente contacto íntimo entre
• el oxígeno y el combustible
• de tal manera que en la combustión reaccione
  todo el combustible
• Si la mezcla de aire es pobre, habrá un exceso de
  aire en alguna parte del lecho o de la cámara de
  combustión y una deficiencia en otra

23
Temperatura y combustión

• Un combustible y su dosis de aire pueden estar en
  íntimo contacto y no haber combustión
• Reacción química lenta, denominada oxidación y
  no combustión
• Cuando el combustible alcanza su temperatura de
  ignición, la oxidación se acelera y tenemos
  entonces la combustión
• Se debe mantener la mezcla a la temperatura
  adecuada (alta) para promover la combustión

24
Temperatura de llama (cont)

• Cuando la llama se pone en contacto con los tubos
  o el manto de la caldera-relativamente mas
  fríos- se depositan partículas carbonosas en la
  forma de hollín
• Cuando las calderas se operan a baja velocidad de
  aire/combustible, las temperaturas son bajas
  resultando en combustión incompleta y excesivo
  humo

25
Tiempo para la combustión

• Suministro de aire, mezclado y temperatura
  determinan la velocidad a la cual la combustión
  progresa
• Se requiere un tiempo apreciable para completar
  el proceso
• Si se opera a una velocidad de alimentación
  excesivamente alta, el tiempo puede ser
  insuficiente
• Como consecuencia se descargará combustible no
  quemado desde la caldera
• Las pérdidas de combustible (sólido o gaseoso)
  pueden ser apreciables y deben ser controladas.

26
Biomasa combustible (carbón)
27
Combustibles típicos
28
Fuel oil comerciales
29
Temperaturas de ignición(en aire P atm) T de
autosustentación de llama
30
Temperatura Ignición (Cont)
31
Gas Natural

• El gas natural se considera como el combustible
  mas deseable para la generación de vapor
• Generalmente se distribuye por gasoducto (desde
  estaciones productoras a las unidades de los
  consumidores) sin necesidad de almacenamiento
• Esta libre de cenizas y se mezcla íntimamente con
  aire para producir una combustión completa con un
  bajo exceso de aire sin producir humo

32
Cantidad de H en gas natural

• Aunque el contenido total de hidrógeno del gas
  natural es alto, la cantidad de hidrógeno libre
  es baja
• Debido a esta característica, el gas natural no
  se quema tan fácilmente como algunos gases
  provenientes de procesos de transformación (de
  carbón o de refinación de petróleo) que poseen
  altos contenidos de hidrógeno libre

33
Composición gas Natural
34
Gas natural composición elemental
35
Cálculos de combustión fracción molar
36
Datos base de cálculos
37
Síntesis de cálculos típicos
38
Análisis del exceso de aire

• La medida continua del exceso de aire permite el
  control efectivo de las pérdidas de calor
• La cantidad de aire se puede determinar
  continuamente mediante el análisis de los gases
  de combustión

39
Cálculo empírico del exceso de aire

• Un método aproximado consiste en hacer un
  análisis en un aparato Orsat y calcular el exceso
  de aire con la fórmula
• exceso de aire
• 100 ((O2 CO/2)(0,264 N2 (O2 CO/2)))

40
Síntesis

• Es posible obtener valores teóricos para la
  necesidad de aire en una combustión dada
• Posterior al cáculo, porque las composiciones
  hipotéticas del cálculo no son perfectas, se
  puede ratificar por mediciones (Orsat o
  Cromatografía) los productos de combustión para
  afunar la dosis de aire

41
Síntesis (Cont)

• Desajustes en
• Relación aire / combustible (molar o másica)
• Calidad de la mezcla aire / combustible
• Temperatura de la combustión (ignición)
• Tiempo de reacción de la combustión
• Flujo de combustible y de aire
• Producen desajustes que desbalancean la economía
  del proceso y la carga ambiental

42
Síntesis (Cont)

• La adopción de políticas de optimización basadas
  en producción mas limpia y sustentabilidad
  produce mejor rentabilidad innovación mejores
  negocios nuevos negocios
• Tales políticas aportan (a nivel planetario) a la
  conservación de recursos no renovables y a una
  empresa mas responsable y orgullosa de si misma
• La intensidad energética de las calderas las
  posicionan en un lugar óptimo para aportar
  sustentabilidad

43
Bienvenidos a bordo

• En la gran nave planetaria necesita de todos los
  innovadores, optimizadores, creadores e
  inventores de soluciones que aporten
  posibilidades de futuro (así como se reaccionó
  frente a la crisis de los 70)
• El futuro tendrá nuevos combustibles pero debemos
  llegar, primero, a ese futuro.

44
Gracias por su atenciónles invitamos a la
sección
Aportes y Discusión
45

• Generación del Petróleo
• During the past 600 million years incompletely
  decayed plant and animal remains have become
  buried under thick layers of rock. It is believed
  that petroleum consists of the remains of these
  organisms but it is the small microscopic
  plankton organism remains that are largely
  responsible for the relatively high organic
  carbon content of fine-grained sediments like the
  Chattanooga shale which are the principle source
  rocks for petroleum. Among the leading producers
  of petroleum are Saudi Arabia, Russia, the United
  States (chiefly Texas, California, Louisiana,
  Alaska, Oklahoma, and Kansas), Iran, China,
  Norway, Mexico, Venezuela, Iraq, Great Britain,
  the United Arab Emirates, Nigeria, and Kuwait.
  The largest known reserves are in the Middle
  East.?

46
(No Transcript)