UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE COAHUILA
FACULTAD DE METALURGIA
“COMBUSTIÓN”
INDICE
+;. 1. Definición
)
2. C!"ific!ción #e $" c$%&'"(i&e"
)
). C$%&'*en(e"
).1 Ai*e
).2 +*$,ie#!#e" - Definici$ne"
3
. E"(e/'i$%e(*i! #e !" c$%&'"(i$ne"
3
.1 C$%&'"(ión c$%,e(!
3
.2 C$%&'"(ión Inc$%,e(!
5
.) C$%&'"(ión E"(e/'i$%e(*ic!
5
.).1 +$#e* C!*&'*i0$*$
5
.).2 +$#e* F'%ien$
5
.).) C$eficien(e #e Ece"$ #e !i*e
5
3. +$#e* c!$*4fic$
:
3.1 +$#e* C!$*4fic$ Infe*i$*
:
3.2 +$#e* C!$*4fic$ "',e*i$*
:
5. Ec'!ci$ne" "$&*e c!*&'*!ción
:
5.1 Ec'!ción #e D'$n
:
5.2 Ec'!ción #e +!**
<
5.2.1 C!c'$ #e B!"e %ine*!6M!(e*i!6Li&*e
1=
5.) Ec'!ción #e C7e*%in - V!n 8*e0een
1=
5. Ec'!ción #e B*!%e - 8in
12
9. C$%&'"(ión - c$n(!%in!ción !%&ien(!
1)
:. Bi&i$*!f4!
1
1.6 DEFINICION La combustión es un conjunto de reacciones de oxidación con desprendimiento de calor, que se producen entre dos elementos: el combustible> que puede ser un sólido, un líquido o un gas y el comburente como Oxígeno.
Para que la combustión tenga lugar han de coexistir tres factores: •
ombustible.
•
omburente.
•
!nergía de acti"ación.
La mayoría de los combustibles, est#n compuestos, b#sicamente, por arbono $% e &idrógeno $&%' adem#s de estos componentes principales tienen otros como ()ufre $*%, &umedad $&+O%, eni)as, etc. Las reacciones de combustión son: -+ -+ alor $+/,-01h20g-+% + &+ -+ +&+- alor $34,5601h20g&+% !n la pr#ctica los combustibles pueden definirse de la forma x &y , dando lugar a las siguientes ecuaciones:
CH- ? n =2 C=2 ? @-2 H2= ? C!$*
2.6 CLASIFICACION DE LOS COMBUSTIBLES 7odos los combustibles industriales se caracteri)an por estar constituidos por me)clas o combinaciones de pocos elementos. La mayor proporción $en peso% corresponde a arbono, &idrogeno y en muchos casos algo de ()ufre, elementos cuyas reacciones de combustión son exot8rmicas. !l resto, mucho m#s reducido cuantitati"amente, esta constituido por Oxigeno, 9itrógeno, agua, y ceni)as $sílices, compuestos organomet#licos de "anadio y otros, arcillas, sales de sodio y otros, óxidos de hierro, etc%, su presencia representa problemas tecnológicos específicos de cada combustible. La clasificación de los combustibles con"encionales puede reali)arse de diferentes formas. (tendiendo a su origen, pueden ser fósiles o no fósiles, segn procedan o no de restos fermentados de seres "i"os, sepultados en la era secundaria. *egn su grado de preparación se clasifican en naturales, su utili)ación es directa tal y como aparecen en origen, y elaborados o manufacturados, que deben ser sometidos a complejos tratamientos o incluso a preparación química especifica. ;ependiendo de la fase en que se presenten: combustibles sólidos, líquidos y gaseosos. La fase es uno de los factores determinantes en el dise
esiduos ?egetales 7urbas 9(7@>(L!*
arbón Lignitos &ullas
SOLIDOS
(ntracita oques $arbón y Petróleo% (>7ABA(L!*
(glomerados y Criquetas arbón ?egetal
(LO&OL!*
9aturales $Bermentación s &idrólisis% (rtificiales
LIUIDOS
>!*A;@(L!*
Lejías 9egras
;!>A?(;O* ;!L P!7>OL!O
Dasóleos
Buelóleos >!*A;@(L!*
BuelEDas
D(* 9(7@>(L
;iferentes Bamilias
D(*!* LA@(;O* ;!L P!7>OL!O $DLP%
Propanos y Cutanos Das de (lto &orno
GASEOSOS
Das de oque (>7ABA(L!* o !L(CO>(;O*
Das Pobre Das de (gua Das iudad
CAOD(*
3.E O=C@>!97!* 3.1 AIRE !l comburente es el agente que aporta el oxígeno a una reacción de combustión y la fuente m#s usual y económica de oxígeno disponible es el aire. omo el reacti"o m#s económico es el aire, que adem#s es gratis, las reacciones de combustión se reali)an in"ariablemente con m#s aire del que se necesita, para asegurarse en proporcionar oxígeno en cantidad estequiom8trica al combustible.
3.2 PROPIEDADES Y DEFINICIONES !n el manejo de las ecuaciones de reacciones de combustión generalmente se emplean algunos conceptos importantes a saber:
Ai*e (eó*ic$ $ *e/'e*i#$ es la cantidad de aire que contiene el oxígeno teórico. O4en$ (eó*ic$ *on las moles $para un proceso intermitente% o la "elocidad de flujo molar $para un proceso continuo% de oxigeno que se necesitan para efectuar la combustión completa del combustible en el reactor, suponiendo que todo el carbono del combustible se oxida para formar O+ y todo el &+ se oxida para formar & +O.
Ece"$ #e !i*e es la cantidad de aire en exceso con respecto al teórico o requerido para una combustión completa. Para el c#lculo del coeficiente de exceso de aire expresiones equi"alentes:
pueden emplearse las siguientes
O+ que entra al proceso E O + requerido #e ece"$ #e !i*e EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEE x F-O+ requerido O+ de exceso #e ece"$ #e !i*e EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEE x F-O+ de entrada E O + de exceso
5. !*7!G@A=!7>A( ;! L(* O=C@*7AO9!* La estequiometria de la combustión se ocupa de las relaciones m#sicas y "olum8tricas entre reacti"os y productos. Los aspectos a determinar son principalmente: •
•
(ire necesario para la combustión Productos de la combustión y su composición
4.1 COMBUSTION COMPLETA onduce a la $i#!ción ($(! de todos los elementos que constituyen el combustible. !n el caso de hidrocarburos: arbono -+ 9itrógeno HI 9+ &idrogeno & Oxigeno EEE Participar# como oxidante ()ufre *-+ I!l 9itrógeno se considera como masa inerte, si bien a las altas temperaturas de los humos pueden formarse óxidos de nitrógeno en peque
4.2 COMBUSTIÓN INCOMPLETA Los componentes del combustible no se oxidan totalmente por lo que aparecen los denominados in/'e%!#$", los m#s importantes son O y &' otros posibles inquemados son arbono, restos de combustible, etc.
4.3 COMBUSTION ESTEQUIOMETRICA !s la ombustión ompleta reali)ada con la cantidad estricta de oxígeno' es decir, el aire empleado en la combustión es el mínimo necesario para contener la cantidad de oxígeno correspondiente a la oxidación completa de todos los componentes del combustible. La expresión de esta combustión es: x&y n (ire $- + 9+% x -+ $y2+% &+- -,64 n9+ alor $G% !n este caso -,+F K n x $y25%, siendo el calor generado es el correspondiente a la combustión completa. La combustión estequiom8trica permite definir los par#metros característicos de los combustibles:
4.3.1 PODER COMBURIVORO !s la cantidad de aire seco, medida en condiciones normales $7 - y PFatm%, mínima necesaria para la combustión completa y estequiom8trica de la unidad de combustible. 4.3.2 PODER FUMIGENO
!s la cantidad de productos de la combustión $9m 3% que se producen en la combustión estequiom8trica de la unidad de combustible.
4.3.3. COEFICIENTE DE EXCESO DE AIRE La mayor parte de las combustiones no transcurren en estas condiciones ideales $completa y estequiom8trica%, el principal aspecto a considerar ser# la posibilidad de que la combustión transcurra con exceso o defecto de aire, para caracteri)ar la proporción de oxigeno se define el par#metro Mcoeficiente de exceso de aireM (sí la combustión puede ser clasificada en:
•
COMBUSTION CON DEFECTO DE AIRE
La cantidad de aire utili)ada no contiene el oxígeno necesario para oxidar completamente a los componentes del combustible. x&y F5 $-+ 9+% -+ O &+ &+- -,64 n + 9 + alor $G% (dem#s de los productos normales de la combustión, ;ióxido de carbono $O +% y (gua $&+O%, se producen inquemados como el =onóxido de arbono $O% e &idrógeno $&+%' en algunos casos con mucho defecto de aire puede haber incluso carbono y combustible sin quemar, en los humos. !l calor producido es inferior al de la combustión completa $Gi N G%.
•
COMBUSTION CON ECESO DE AIRE
!n este caso la cantidad de aire aportada es superior a la correspondiente a la combustión estequiom8trica' la combustión en estas condiciones puede ser completa o incompleta.
O=PL!7(
x&y F5 $-+ 9+% x -+ $y2+% &+- -,+F $F5 E n% -+ -,64 n, 9 + alor $G% -,+F n x y25 (l emplearse m#s aire que el estrictamente necesario, en los humos se da la presencia de oxígeno. !l calor generado $G% es el correspondiente a la combustión completa.
A9O=PL!7(
La cantidad de aire utili)ada es superior a la correspondiente a la combustión estequiom8trica, pero a pesar de ello, debido fundamentalmente a que no se ha logrado una buena me)cla entre el combustible y el aire, los componentes del combustible no se oxidan totalmente. x&y n, $-+ 9+% -+ O &+ &+- -+ -,64 n, 9 + alor $G+% >especto a la combustión incompleta con defecto de aire, en los productos de la combustión tambi8n se tiene oxígeno' en casos extremos en los humos puede haber carbono y combustible sin quemar.
!l calor producido es inferior al de la combustión completa $G N G%. La combustión estequiom8trica pr#cticamente es irreali)able, lo que obliga a operar con excesos de aire con el fin de lograr combustiones completas. !l calor producido en la combustión completa es independiente del exceso de aire, pero el apro"echamiento de este calor es tanto menor cuanto mayor es el exceso de aire con el que se trabaja, ya que una parte del calor de la combustión se utili)a en calentar a los humos y 8stos aumentan con el exceso de aire' por todo ello, en la pr#ctica se buscan combustiones completas con los menores excesos de aire posibles' esto se consigue con una adecuada puesta a punto de los elementos que inter"ienen en la combustión $líneas de combustible, quemadores, calderas y chimeneas% y un correcto mantenimiento. Para obtener una correcta combustión debe lograrse una buena me)cla del combustible con el aire' en este sentido los combustibles gaseosos presentan mayor facilidad de me)cla que los líquidos y 8stos a su "e) m#s que los sólidos' por este moti"o pueden obtenerse menores excesos de aire con los combustibles gaseosos.
3.
+ODER CALORIFICO
*e define como Poder alorífico de un combustible, a la cantidad de calor que se obtiene de la oxidación completa, a presión atmosf8rica, de los componentes de la unidad de masa $o "olumen% de dicho combustible.
!n la combustión, por la oxidación del hidrógeno, se forma agua' adem#s, los combustibles pueden tener un cierto grado de humedad en su composición' dependiendo del estado en que apare)ca el agua en los humos, se distinguen dos tipos de poderes caloríficos:
5.1 PODER CALORIFICO INFERIOR (PCI) !s la cantidad de calor que puede obtenerse en la combustión completa de la unidad de combustible, si en los productos de la combustión el agua est# en forma de "apor. !n este caso una parte del calor generado en las oxidaciones se utili)a para e"aporar el agua, por tanto esta parte del calor no se apro"echa.
5.2 PODER CALORIFICO SUPERIOR (PCS) !n los productos de la combustión el agua aparece en forma líquida, por lo que se apro"echa todo el calor de oxidación de los componentes del combustible. &abitualmente el agua se e"acua con los humos en fase "apor, por lo que el poder calorífico m#s comnmente utili)ado es el inferior.
5.
ECUACIONES SOBRE CARBURACION
.1 ECUACIÓN DE DULONG
=8todos de aproximación del "alor calorífico y an#lisis de combustibles. !n trabajos de prueba es frecuentemente necesario saber los "alores caloríficos o los ltimos an#lisis de combustibles cuando el aparato requerido para tales determinaciones no est# disponible. @n nmero de m8todos empíricos han ido e"olucionado para este propósito, y, aunque a menudo son inexactos, puede ser necesario el uso de ellos cuando faltan datos reales. La fórmula de ;ulong da el m8todo m#s satisfactorio para calcular el "alor de calentamiento de los combustibles sólidos. La fórmula es: ;onde: la fracción de carbón. & la fracción de hidrógeno. O la fracción de oxígeno. * la fracción de a)ufre. !l probable error en el uso de esta fórmula es alrededor del + por ciento, excepto en el caso de carbones cannel y carbones de alto contenido de oxígeno, como lignitos y carbones midQest bituminosos, en la que el error puede ser m#s alto. on los combustibles de petróleo
O B.T.U. por lb =14,544 C + 61,500 (H 8
) + 4500 S
el por ciento de error puede ser de hasta un / por ciento. !ste m8todo, adem#s del error introducido, tiene la des"entaja de requerir el largo an#lisis final.
.2 ECUACIÓN DE PARR *.1. Parr publicó un m8todo de clasificación basado en el "alor de calor de lo que 8l llama Msustancia unidad de carbónM. La determinación de la cantidad de carbón puro se obtiene mediante la corrección del an#lisis próximo ordinario y consiste en permitir la ceni)a, humedad, y a)ufre así como la parte inerte de la materia "ol#til. !l "alor de calentamiento de la sustancia unidad de carbón est# dada por la siguiente ecuación: ?alor calórico: Andicado C.7.@. por lb R S--- x fracción de a)ufre F.-- E $F.-/ x fracción de eni)a ++25- x fracción de a)ufre%
*obre la base del "alor de calor de la sustancia unidad de carbón, Parr dise<ó la siguiente tabla: ?alor calórico de la @nidad de arbón de *ustancias ;espu8s de Parr.
?alor calórico de *ustancia arbón @nidad, C.7.@. por Lb.
La celulosa y madera
T,S--E 6,/--
7urba
6,/--EFF,S--
Lignito, marrón
FF, S--EF3 ,---
Lignito, negro, o el carbón subE bituminoso
F3,---EF5,---
F5,---EFS,--!l carbón bituminoso
!l carbón bituminoso $campo oriental%
FS,---EFT,---
*emiEantracita y semiEbituminoso
FS,S--EFT,---
(ntracita
FS,---EFS,S--
;esde este cuadro no es completamente satisfactorio, debido en particular a la falta de progresión regular en los grados m#s altos de carbón, Parr luego tra)a el "alor de calentamiento de la unidad del carbón contra el Mporciento de materia "ol#til en la unidad de carbónM U'#a# #$ Carboo !"o =
Carboo !"o, #$%$r&'a#o 1.00 - (1.08 C$'a + 2240 a*r$)
porcentaje de materia "ol#til en la @nidad arbón F,--.E @nidad de arbono fijo.
5.2.1 C;c'$ #e B!"e Mine*!6M!(e*i!6Li&*e
Para la clasificación de carbón segn el rango, el c#lculo de carbono fijo y el poder calorífico superior a la =ateria mineralElibre se puede calcular de acuerdo con las fórmulas de Parr.
*eco, =mElibre B F-- $BE-.FSs% 2 $F-- E $= F.-/( -.SS*%
*eco, =mElibre ?= F-- E, =mElibre B seco
&medo, =mElibre C7@ F-- $Ctu E S-*% 2 $F-- E $F.-/( -.SS*%
;onde:
C7@ alorifico, C7@ 2 lb
B J arbón fijo
?= J =ateria "ol#til
= J &umedad
( J eni)as
* J ()ufre
.3 ECUACIÓN DE C!ERMIN Y VAN "REVELEN @n diagrama de estabilidad de la llama generali)ada para su uso en tales c#lculos ha sido propuesto por ?an Ure"elen y hermin. !stos autores encontraron que es posible reducir los diagramas de estabilidad indi"iduales para hidrocarburos, hidrógeno, monóxido de carbono, y sus me)clas a un diagrama generali)ado mediante el uso de gradientes de "elocidad límite reducida adimensionales R y concentraciones FR . !stos par#metros se definen por las ecuaciones.
R M ;onde M es el gradiente en el pico de la cur"a, y
FR 1 ? ɸ @F FM> donde F es la concentración de gas combustible expresado como fracción de estequiometria' FM es el "alor de F que corresponde al pico de la cur"a' y ɸ es una medida in"ersa de la anchura del "alor medio de la cur"a, normali)ada de tal manera que para el metano, ɸ 1. !l diagrama de estabilidad generali)ada se muestra en la siguiente figura:
G!" c$%&'"(i&e
!l diagrama familia de soplado que determinadas porcentaje de me)cla inerte me)clas de combustibles, &5 se calculan a ecuaciones.
M @"ec.61
5--
FM
F.--
ɸ
F.--
Los "alores M, FM, ɸ y combustibles en muestran en la
muestra una cur"as de est#n por el hidrógeno en la libre. Para las gases los par#metros partir de las num8ricos de de gases el aire puro se siguiente tabla.
+ &T
TS-
F.F3
-./-
3 &/
S/-
F.F+
-.T-
.4 DE BRAME Y
ECUACIÓN "ING
uando quema formación carbono,
carbono se oxígeno con la dióxido de pesos de
el en +&5 de los
F,5--
F.F-
-.T3
material en cuestión y el calor desprendido pueden ser expresados por una ecuación termoquímica, así:
C
+
12 ra&o Carb
O2
=
32 ra&o O/'$o
CO2
+
97,644 Calora
44 ra&o '/'#o #$ Carboo
y cuando el hidrógeno se quema con la formación de agua a presión constante como:
H2
+
2 ra&o H'#ro$o
O 16 ra&o O/'$o
=
H2O
+
18 ra&o *a (o#$a#a) *a o&o (apor)
69,000 Calora
+
58,100
;e ello se deduce que F gramo de carbón da /,F36 cals. $F5,T5T C.7.@.% , y F gramo de hidrógeno 35,S-- (L. $T+,F-- C.7.@.%, si el "apor producido se condensa a agua a -' *i el "apor permanece como tal en F--, +4,-S- (L. $S+,+4- C.7.@.%. !l "alor calórico calculado $bruto% de cualquier combustible que contiene sólo estos dos elementos se encuentra desde la ecuación:
( Carb / 8137) + ( H'#ro$o / 34,500) = alora (br*%o) 100 @n gran nmero de combustibles ya contienen oxígeno, y por eso una cantidad m#s peque
(C / 8137) + (H O8) / 34,500 Calora (br*%o) por ra&o = 100 !n la forma m#s completa, algo semejante como puede ser aplicado a carbones, la siguiente fórmula extendida es utili)ada: Calora =
(C / 8137) +
H
(O+-1) / 34,500 + (S / 2220) (H2O / 600) 8 100
(quí una deducción fija de F por ciento, est# hecha para el nitrógeno presente en el combustible, este ser considerado como un promedio justo, aunque algo baja para carbones ingleses' !l a)ufre, en la forma de piritas, es considerado como suministro de calor, y una deducción aproximada se hi)o para la e"aporación de la humedad presente en el combustible.
!n el caso de combustibles gaseosos el "alor calorífico no debe calcularse de los componentes elementales, sino de la suma de los "alores caloríficos de los gases constituti"os mismos, los "alores por los que est# bien establecidos, y se dan en la siguiente tabla. omposición, de pies cbicos por libra, peso de F pie cbico y el "alor calorífico de los gases quemados a "olumen constante. +e"$ ,$* f( G!"
Oien$ Ni(*óen$ Ai*e Diói#$ #e C!*&$n$ Hi#*$en$ M$nói#$ #e c!*&ón Me(!n$ E(!n$ E(ien$ +*$,ien$ Ace(ien$ Bencen$
9.
)
V!$* c!$*4fic$ in BTU ,$* f( )
)
F( ,$* &
F$*%'!
O+ 9+ EEE O+ &+ O &5 +&T +&5 3&T +&+ T&T
En =C -.-/45 -.-6/T -.-/-6 -.F+35 -.--ST -.-6/F -.-556 -.-/36 -.-6/3 -.FF6/ -.-6+6 -.++3S
En 5=F -.-/55 -.-65+ -.-6T5 -.FFT/ -.--S3 -.-634 -.-5++ -.-64+ -.-65-.FFFF -.-6-3 -.+FFS
En =C FF.+F+.63 F+.5/.FF6/.SF+./++.3/ FF.4S F+.66 /.S+ F3.+S 5.5/
En 5=F FF./S F3.SF3.F/.ST F//.6F3.S+3.6F+.TF F3.S4.-F5.+3 5.63
En =C - 95= %% B*'($ Ne($
B*'($
Ne($
EE EE EE EE 35+./ 35F./ F-T3.F/S+.FT6-.+5T4.FSST.5-F/.-
EE EE EE EE 3+S.+ 3+3.S F-F-.F6T+.FS/-.+35+.F56S.3/-3.-
EE EE EE EE +65.+ 3+3.S 4-S.S FT-4.F5/-.+F//.F5+3.3ST5.-
EE EE EE EE +/4.35F./ 4S5.5 FT45.FST5.+3-T.FS--.3/5S.-
En 5=F - )=%%
COMBUSTION J CONTAMINACION AMBIENTAL
( la hora de seleccionar el combustible y de optimi)ar el proceso de combustión se deben considerar aspectos relacionados con la emisión de agentes polucionantes. Las normas actuales restringen estas emisiones, y de hecho uno de los factores m#s importantes en el dise
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