Gases de Combustión
Principios de combustión
El proceso de combustión es una reacción química que se realiza a gran velocidad y a una elevada temperatura. Es la unión rápida de una elemento o un compuesto con oxígeno que produce calor, es una explosión controlada.
La combustión ocurre cuando los elementos en el combustible se combinan con el oxígeno para producir calor. Todos los combustibles, ya sean sólidos, líquidos o gaseosos, son principalmente hidrocarburos.
Productos de la combustión
Cuando se combinan el oxígeno y el hidrógeno se forma vapor de agua e intenso calor. Al unirse carbono y oxígeno, se forma dióxido de carbono y monóxido de carbono; la unión del azufre y del oxígeno produce dióxido de azufre. Todas estas reacciones producen gran cantidad de calor.
Estas reacciones químicas toman lugar cuando se quema el combustible en la cámara de combustión de la caldera, durante este procesos se alimenta aire para completar la combustión.
En la combustión la temperatura de la llama alcanza la temperatura de vaporización del carbono. La mayoría del carbono se combina con el oxígeno para formar CO2, el carbón que se enfría antes de combinarse con el oxígeno sale por el escape en forma de hollín, como smoke visible. El color intenso de una llama de un combustible hidrocarburo se debe por las partículas de carbón incandescentes.
Una combustión no puede ser 100 % eficiente porque todos los combustible contienen humedad y compuestos no combustibles:
El carbón de la mejor calidad es 20% no combustible.
El petróleo residual es 10% no combustible.
El gas natural es 6% no combustible.
Tipos de Combustión
Existen tres tipos de combustión:
Perfecta
Completa
Incompleta
Combustión perfecta:
Es cuando todo el combustible es quemado usando sólo la cantidad teórica de aire, pero esta no se puede llevar a cabo en una caldera.
Combustión completa:
Se produce cuando todo el combustible es quemado usando la cantidad mínima de aire por encima de la cantidad teórica de aire necesaria para quemarlo. Cuando se tiene una combustión completa, se obtiene la mayor eficiencia y baja contaminación.
Las condiciones para una combustión completa son:
Una mezcla adecuada de aire y combustible. La reacción aire combustible es controlada para controlar la combustión.
Se requiere que la atomización del combustible liquido sea apropiada.
La temperatura del aire, combustible y la cámara de combustión debe mantenerse para que la combustión sea completa.
Debe haber un tiempo adecuado para que la combustión se complete antes que los gases de combustión se pongan en contacto con la superficie intercambiadora de calor.
Combustión Incompleta:
Ocurre cuando no se quema todo el combustible, lo que produce CO y cenizas.
Requerimientos de aire
El oxígeno necesario para la combustión se obtiene de la atmósfera, la cual está compuesta en un 21% de su volumen por oxígeno. Alrededor de 2000 pies cúbicos son necesarios para quemar un galón de combustible fósil son una eficiencia del 80% al nivel del mar. Para quemar un pie cúbico de gas natura al nivel del mar, son necesarios 15 pies cúbicos de aire. Por ejemplo: una caldera de 100 HP requiere 75000 ft3 de aire fresco para que la combustión se lleva a cabo.
El 79% del aire es nitrógeno, el cual es inerte en la combustión, es indeseado porque roba calor de la reacción, aumenta el volumen de los productos de la combustión, y forma compuestos con el oxígeno, que se consideran contaminantes.
Los requerimientos de aire en la combustión se clasifican de la siguiente manera:
Aire primario.
Aire secundario.
Aire en exceso.
El aire primario controla la velocidad de la combustión, la cual determina la cantidad de gas que se quema.
El aire secundario controla la eficiencia de la combustión, es decir, cómo se va quemando completamente el combustible.
El aire en exceso es el aire excedente de la cantidad teórica necesaria para quemar el combustible.
Los requerimientos de aire dependen de la composición del combustible usado.
Los combustibles usados comúnmente tienen nitrógeno, cenizas, oxígeno, azufre e hidrógeno. Cuando el combustible tiene una cantidad grande de nitrógeno, se necesita más aire para la combustión, este exceso de aire hace que la combustión sea menos eficiente y que no todo el combustible se queme.
Resolución de un problema de combustión con balance de materia
Ejemplo:
La generación de biogas ricos en metano es una forma de evitar los elevados costos de la disposición de desechos, y su combustión puede satisfacer hasta el 60% de los costos de operación de estas plantas que obtienen energía a partir de desechos. Es más, en Comunidad Europea las plantas de biogas están exentas de los impuestos de energía y de carbón, lo que las hará más atractivas si la CE aprueba la propuesta del impuesto al carbón. En Europa ya están funcionando cuatro proyectos de demostración a escala industrial.
Consideremos sólo la combustión del metano. La figura de abajo muestra un proceso de combustión simple, cuyos detalles mecánicos podemos ignorar.
Solución
Pasos 1, 2, 3 y 4
Se trata de un proceso en estado estacionario con reacción, supongamos una combustión completa. El sistema es el quemador. Se han completado los cuatro pasos al colocar los datos en la figura anterior. Como la salida del proceso es un gas, la composición se dará en fracción molar o moles, así que resulta más conveniente usar moles en lugar de masa en este problema, a pesar de que las cantidades de CH4 y aire se dan en kg.
Paso 5
Puesto que no se especifica una base de cálculo en particular, elegimos una que nos resulte cómoda
Base de cálculo: 16.0 kg CH4 que entran = 1 kg mol CH4
Paso 6
Las incógnitas son P y las cuatro composiciones de P: xpCO2, xpN2, xpO2, y xpH2O y (donde xpi es la fracción molar del componente indicado por el subíndice)
Pasos 7 y 8
Usaremos balances de los elementos. Se puede hacer un balance de materia independiente para cada uno de los cuatro elementos C, O, N y H. Además, S xpi = 1 de modo que el problema tiene una solución única. Como ejemplo de los balances, examinaremos el de carbono (recuerde que aquí la ecuación se reduce a Entra = Sale para los balances de elementos).
Los demás balances son similares. He aquí un resumen de los balances.
Como esta formulación conduce al producto de dos variables cuyos valores no se conocen en miembro derecho de cada ecuación, cambiamos de variables y tomamos como incógnitas P y npCO2, npN2, npO2, y npH2O y (donde npi es el número de moles) para obtener
Paso 9
Ahora podemos resolver fácilmente el segundo conjunto de ecuaciones en forma secuencial (se desacoplan)
Pasos 7 y 8
Otra vez. Si queremos efectuar un balance molar de los compuestos que intervienen en la reacción, necesitamos información de la ecuación estequiométrica para la reacción
La ecuación es
La resolución de estas ecuaciones produce los mismos resultados que se mostraron antes.
Paso 10
La respuesta puede comprobarse sumando la masa total que entra (316 kg) y determinando si la masa total que sale es la misma, pero se omitirá este paso aquí
