Lecture 1 Combustibles - Combustion_1

8/17/2019 Lecture 1 Combustibles - Combustion_1

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enlaces químicos entre elementos en energía térmic

Reacciones Químicas

De precipitación ÁcidoDe Oxidación ‐ Reducción

Combustión DescomSíntesis

.

Química

Base

NuclearGeotérmica

EólicaHidráulica

Mareomotr

Térmica

Solar

osición

Eléctrica Mecánica


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La combustión es una reacción química de oxidación rápida que tien

Los reactivos son: combustible y comburente (oxígeno puro o pr

Combustible + Comburente PrCualquier sustancia que puedaoxidarse en una reacción decombustión: Carbón, Biomasa

O2 OxicombustiónAire Ambiente: O2 + N2 +H2O+…

,

Natural, GLP, Hidrógeno…

Carácter altamente exotérmico:

Elevada velocidad de reacción, función de la temperatura de los rAutopropagante, lo que quiere decir que una vez alcanzada la tealtas temperaturas y los radicales producidos hasta que alguno de

De lo dicho anteriormente se deduce que se compone de tres faseDada la naturaleza del comburente (gas), la combustión únicamentre los reactivos. Por lo tanto, los sólidos y líquidos se descompPirólisis: Consiste en proceso de descomposición química o cualqutransforman en simples por efecto del calor. La palabra deriva delEl proceso de pirolisis, puede tener lugar a partir de los 80 ºC. La pi

e como características principales:

sente en aire ambiente).

ductos de la Reacción

CO2 , H2O, N2, NOx, SOx, O2,….

, .activos.peratura de ignición, la reacción continua mantenida por laslos reactivos se agota.

s: Iniciación, propagación y extinción.nte se da en fase gaseosa para que pueda existir la mezclandrán al estado gaseoso/vapor (pirólisis) al aplicar calor.ier otra conversión química donde materiales compuestos seGriego “piro” = fuego y “lisis” = romper.rolisis de la madera tiene lugar entre los 150 ‐ 200 ºC


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Los fenómenos que la rigen implican que deba ser estudiada desde v

• Fluidodinámica : para estudiar el flujo de combustible, comben general los procesos de flujo másico.

• Transmisión de Calor : para analizar los procesos de flujo tér

De lo dicho anteriormente se es

intercambiada en las mismas.

una combinación entre reactdeterminada.La combinación de reactivos que

Así para una determinada tecombustible y comburente queestos valores modifica la calidacualquiera de estos tres impide

La combinación de los elementos inflamables del co

‐

Temperatura

lo

suficientemente

alta

para

la

ignición

‐ Turbulencia que facilite el íntimo contacto combustib‐ Tiempo suficiente para completar el proceso

arias disciplinas científico‐ técnicas:

urente y productos de la combustión, la forma de mezclarse, etc,

mico existentes.

tablece que para que exista una combustión deberá establecerse

,

ivos y esta combinación deberá darse a una temperatura

da establecida por los Límites de inflamabilidad..

mperatura de combustión existe una proporción exacta deetermina la reacción óptima, de tal forma que desviaciones sobrede la combustión hasta el extremo de que la ausencia de uno

ue se produzca la misma.

bustible con el oxígeno, requiere de:

e

los

elementos

inflamablesle‐ oxígeno


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Límites de inflamabilidad. Esta ro iedad se utiliza en combustipara que se produzca la combustión, mediante un límite inferideterminadas.

Por debajo del límite inferior de inflamabilidad existe déficit de c.

Los gases más inflamables son el H2 y el C2H2 (acetileno).En la Tabla se muestran los límites inferiores y superiores de distines inflamable si contiene un orcenta e de NH com rendido entre

En el caso de mezclas de gases, los límites de inflamabiliddeterminan mediante la expresión de Le‐ Chatelier:

Siendo xi = fracción molar componente i

Li =

límite

de

inflamabilidad

compone

n

i i

im

L

x L

1

1

Así, por ejemplo, para una mezcla de H2:20%, CH4:30%,C2H6:20%,

les aseosos. Establece la ro orción de as aire necesariar (L.I.I.) y uno superior (L.S.I.) en unas condicione de P y T

ombustible en la mezcla, y por encima del límite superior de

os gases combustibles. Por ejemplo, una mezcla de NH3 y aire1 % 2 % Vol. Vol.

ad se

te

i

2H4:30%, los límites de inflamabilidad son: L.I.I. = 3,6%, L.S.I. = 17,


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Límites de inflamabilidad. Factores que influyen.‐ empera ura y res n:Cuando la temperatura aumenta el rango de inflamabilidad se modif

valor del L.I.I. hacia el valor cero en la misma proporción en que tieL.S.I. hacía valores más elevados con lo cual el rango de infladatos experimentales, por cada 100º de aumento de la temperatura,se ven afectados en un 8%, de tal manera que la concentración míniun 8% menor mientras que la concentración requerida para alcanzar

L.I.I(T’) = L.I.I.(T) ‐ 0,75· (T’ – T)· PCI‐ 1

L.S.I T’ = L.S.I. T +0 · T’ – T · PCI‐ 1L.S.I.(p’) ≈ L.S.L.I.I. ’ ≈ L.I.I

Conocidos los valores de los límites en una condiciones, para pasarl

‐ Presencia de Oxígeno:Este efecto influye de manera distinta en los dos límites. Ante una reO2, por una parte en el L.I.I. si el contenido de oxígeno en el aireinfluir, ya que lasconcentraciones de oxígeno en las proximidades dDesde el punto de vista del L.S.I., el descenso de la concentracidescenso del valor de la mezcla ideal de forma lineal, es decir conoxígeno disponible más descenderá el valor de la mezcla ideal y enL.S.I. será aún más rápido, de tal forma que cuando la mezcla ideal yno se producirá la inflamación, expresado en otros términos, la saturproducido por el incendio cuando existe una carencia de oxígensuperiores en el rango que si la cantidad de oxígeno es la normalment

ica tendiendo a desplazar el

nde a desplazar el valor delabilidad se amplía. Segúnlos límites de inflamabilidadma para alcanzar el LII serál LSI será un 8% mayor

I . (p)+ 8,9· lnP . ‐ 0 · lnP

P: presión absoluta (atm)T: temperatura (ºC)

s a otras podremos aplicar las expresiones empíricas siguientes:

ucción en la concentración des normal o bajo, apenas va ae este límite están en exceso.ón de oxígeno provocará untra menor sea la cantidad deconsecuencia el descenso delel L.S.I. coincidan con el L.I.I.,ción o exceso de combustible, alcanzará antes los valorese requerida.


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Límites de inflamabilidad. Factores que influyen.‐ resenc a e ner es:La presencia de inertes (H2O, N2, CO2) en la mezcla, modifica los lími

Cuanta mayor concentración de inertes, menor concentración de o.

es de inflamabilidad.

ígeno y viceversa, con lo cual el efecto de los inertes se supedita al


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Límites de inflamabilidad Gases Fórmula

Inferior Superior (% vol/ vol) (% vol/ vol)

H2 4 75CH 1 C2H6 3,2 12,45C3H8 2,4 9,5i C4H10 1,8 8,4n C4H10 1,9 8,4C5H12 (Pentano) 1,4 7,8C6H14 (Hexano) 1,25 6,9C7H16 (Heptano) 1 6C2H4 (Etileno) 3,05 28,6

,C4H6 (Butadieno) 2 11,5C2H2 (Acetileno) 2,5 81C6H6 (Benceno) 1,4 6,75CO 12,5 74,2NH3 15,5 27SH2 4,3 45,5Gas de gasógeno 16 64Gas de coquería 5 33


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Otro concepto mportante es e e LLAMA

La llama es el lugar o región del espacio en el que tiene lugar la comLa apariencia de la llama producida por la combustión de una sustandel proceso de combustión.Podemos distinguir dos tipos de llamas:

‐

Son el tipo de llamas más común en un recinto cerrado. Este tipocuando el combustible y el oxígeno se encuentran el uno con elcombustible el oxí eno no se han mezclado de forma revia(ambos se encuentran separados, por lo general el combustiblegaseosa inmersa en aire). En este caso lo que ocurre es una

molecular del oxígeno en la superficie del volumen de gas de comproceso relativamente lento, aún cuando la velocidad del proceelevadas temperaturas. Las llamas de difusión por lo general sonincandescencia del carbón que se forma en el proceso. Un ejempquema or unsen cuan o a aper ura e a re es cerra a, o que

lenta, brillante y lacia. Lo mismo, por ejemplo, ocurre con la llama dque el rendimiento en el proceso de combustión de una vela es de

ustión entre los gases combustible y comburente.cia puede facilitar información acerca de la eficacia(rendimiento)

e llamas tiene lugartro. En este caso, elntes de su i niciónormando una bolsaezcla por difusión

ustible, lo cual es unso aumente por lasmarillas debido a la

lo típico es el de unresu a en una ama

e una vela. Se estiman 25%.


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‐ LLAMAS PREMEZCLADASEste tipo de llamas se dan cuando el combustible y el oxígeno sehan mezclado previamente y la mezcla se encuentra dentro delrango de inflamabilidad antes de que la combustión se produzca.s e po e amas en e ranscurso e un ncen o en un rec n o

cerrado pueden darse cuando por ejemplo se produce unbackdraught. Si volvemos al quemador Bunsen, descritoanteriormente en esta ocasión abrimos el aso de airelentamente, esto permite al oxígeno y al combustible mezclarsede forma previa antes de que ocurra la combustión aumentando

considerablemente la eficacia de la misma, lo cual se demuestrapor el color, temperatura y velocidad de la llama.


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Otro concepto importante es el de llama


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Otro concepto importante es el de llama

Las sustancias que se evaporan durante la combustión producen llEn los dos primeros tipos de combustibles, la temperatura debe sercombustible. Por ejemplo el keroseno o las velas. Esta combustión

Las sustancias que no evaporan, no producen llama. Puede darse scarbones. Esta combustión es lenta. Puede darse en la superficie o

queroseno cera

mas. Puede darse en combustibles sólidos, líquidos o gaseosos. lo suficientemente alta como para que se gasifique el s rápida.lo en combustibles sólidos: por ejemplo los diferentes tipos de n el interior de sustancias porosas

carbón carbón vegetal


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Aplicaciones

Incluso en nuestros días el 88% del consumo mundial de energía pro

Calentamiento.

La

energía

química

se

libera

como

energía

térmi Pro ulsión eneración eléctrica. Princi almente utilizando un Refrigeración por absorción. Transformaciones químicas. Principalmente como aplicación parincineración, etc

La iluminación artificial. Hasta finales del si lo XIX fue la única fuvelas, bengalas y poco más.

Espectáculos pirotécnicos

Inconvenientes

Bajo rendimiento Generación de roductos contaminantes Cantidad limitada de combustible

cede de la combustión y se emplea para:

a

a

elevada

temperatura

y

posteriormente

es

transferida. motor térmico de combustión interna o externa.

a calentamiento, pero en ocasiones para reducción, oxidación ,

ente de luz artificial actualmente es una a licación mu en desuso:


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Los combustibles comerciales se pueden clasificar en:

Naturales o primarios:‐ Sólidos: Carbón, madera y otros tipos de biomasa, aunque pu

metales (son demasiado caros y sólo se usan para destello térrmico

proceso que con él se realiza no es de combustión sino de desintegra‐ Líquidos: Petróleo y sus derivados (gasolina, gasóleo y fuelóleo).‐ Gaseosos: Gas natural y gases licuados del petróleo (GLP) .

Artificiales o secundarios:‐ Sólidos: Coque (destilado de la hulla), carbón vegetal (destiladoOC; madera + calor + carbón vegetal + licores pirolefiosos+gas+alqu

‐ Líquidos: Alcoholes (destilados de la biomasa), aceites de nafta y bpetróleo).‐ Gaseosos: Destilados de la madera (gas pobre, compuesto de

ºconteniendo principalmente CO, y gas de agua o gas ciudadprincipalmente H2 y CO), destilados de las naftas del petróleo (conteniendo principalmente H2 y CH4). En el futuro se podría

(400 K) ni siquiera la de fisión nuclear (1500 K).Los aparatos para producir gas combustible artificial se llaman gasóg

Sólidos

Naturales

Biomasa: Madera,residuos vegetales…Turbas

LignitosHullas

den incluirse muchos

luminoso).Antracita

ArtificialesCoquesAglomerados, briquetasCarbón vegetal

Derivados Gasóleo

,ción radiactiva.

Líquidos del petróleo Fuel-oilResidualGas Natural

GLPPropanoButano

e madera a unos 250itrán), aglomerado de

Gaseosos Residuales

Manufacturados

Gas PobreGas de AguaGas de alto horno

nzol (destilados del

CO y H2 y obtenido

antiguo, conteniendoas ciudad moderno),enera hidrógeno por

enos.


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Las propiedades más relevantes de l0s combustibles son:

• La composición (incluyendo la humedad y el contenido de impur

• la entalpía estándar de reacción (también llamada poder calorífic • a ens a , v scos a y coe c ente e atac n para e a mace

• La densidad relativa o gravedad específica, que es el ratio entre laagua (15ºC, 1atm), dependiendo de si hablamos de combustibles

petróleo. La relación entre ambas escalas tiene la siguiente expr

5,141

• la

entalpia

de

vaporización

(conviene

que

sea

baja);

8,15(SG

• a pres n e vapor conv ene que sea a a para que no aya que • los límites de ignición (por chispa), autoinflamación y extinción, l

válvulas, bombas, etc).

zas).

, en valor absoluto); nam ento y transporte ;

densidad del combustible y la densidad del aire (0ºC, 1atm) o del aseosos o líquidos respectivamente.

sión:

,)C

as car ar c a men e ; toxicidad y la compatibilidad con otros materiales (tubos, juntas,


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• En l0s carbones y otros combustibles sólidos es importante la grcantidad de agua contenida en el combustible, expresada en % e

mecánicos (lavado) , ,

• Las materias volátiles, propias de un combustible sólido, son el pcalentarlo en ausencia de oxígeno durante siete minutos a 925ºC.

• El fuelóleo ha ue recalentarlo ara ue flu a bien se atomic

• En

ambos

casos,

el

contenido

de

azufre

puede

hacer

inservible

el• El manejo de l0s GLP requiere depósitos a presión y es caro, y al sseguridad, aunque su uso es muy limpio y no contamina.

• El gas natural no es cómodo de almacenar (depósitos criogénico

nulometría y el contenido en humedad y cenizas. La humedad, es la peso y puede ser intrínseca al mismo o añadida por procedimientos

.rcentaje de pérdida en peso experimentado por el combustible al En este porcentaje no se incluye la humedad del combustible. me or.

combustible,

por

l0s

problemas

de

contaminación. er su densidad mayor que la del aire requieren ventilación de

) y hay que canalizarlo (gran coste de infraestructura).


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• La entalpía estándar de combustión se mide en un calorímetro:usa la bomba de Malher donde se quema 1 gramo de combustipuro a 2 MPa) y para líquidos y gases se usa el calorímetro dehablarse de poder calorífico superior e inferior (PCS y PCI), refiricontabiliza o no la entalpía estándar de vaporización del agua prodserá PCS = PCI +2442mH2O/mcomb k Jlkg = PCI +41,4nH2O/ncomb kmH2O/mcomb y nH2O/ncomb la masa y cantidad de sustancia de aguaunidad de masa o de cantidad de sustancia de combustible.

• n ice e Wo e. Es e in ica or más signi icativo paraintercambiabilidad entre gases

PC Wo

• La abundancia para su comercialización.

• La facilidad de manipulación que no entrañe riesgos.

relativa ,,

• La s mp c a e su compos c n mo ecu ar que m n m ce e mpde sus residuos.

Por ejemplo, el hidrógeno o el fósforo son extraordinarios comreacc onan v vamente en presenc a e a re, pero su costoso proceso

elevado riesgo en su trasiego y la toxicidad de los gases de combustióhacen inviable su aplicación como combustibles comerciales.

ara sólidos se

Sustancia Formula KJ / mol Kcal / mol Kcal / kg

Metano (g) CH4 800 192 11537

Propano (g) C3H8 2220 530 12050Butano (g) C4H10 2879 688 11855

le en oxigenoJunker. Suelendose a si se

ucida, siempreAzufre (s) S 270 64,5 2015Dióxido de

Azufre (g) SO2 98,2 23 336

Carbono (s) C 394 (a CO2) 94 7842

/ mol, siendoproducida por

Carbono CO

282 67 2405

Carbono (s) C 101 a ( a CO) 24 2010

Octano (l) C8H18 5456 1303 11430Decano C10H22 6765 1617 11387

eterminar a

Parafina ‐‐‐‐ ‐‐‐‐ ‐‐‐‐ 10300Aserrín seco ‐‐‐‐ ‐‐‐‐ ‐‐‐‐ 3800

Aserrín húmedo ‐‐‐‐ ‐‐‐‐ ‐‐‐‐ 1900

Carbón vegetal ‐‐‐‐ ‐‐‐‐ ‐‐‐‐ 7170Leña seca ‐‐‐‐ ‐‐‐‐ ‐‐‐‐ 4300

Leña húmeda ‐‐‐‐ ‐‐‐‐ ‐‐‐‐ 2200

Madera de pino ‐‐‐‐ ‐‐‐‐ ‐‐‐‐ 5000

cto am enta

bustibles queaso na ‐‐‐‐ ‐‐‐‐ ‐‐‐‐

Gas licuado ‐‐‐‐ ‐‐‐‐ ‐‐‐‐ 12000e o tenc n,

del segundo,


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Los combustibles gaseosos son preferidos actualmente a los s

• Resulta más sencillo controlar las emisiones de contamina• Se obtienen mayores rendimientos de la combustión.• Son más limpios.• Son más fáciles y menos costosos de manejar, especialmen

lidos y líquidos, fundamentalmente por:

tes

te en la extracción y el trasiego.


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La este uiometría se ocu a de las relaciones másicas entre las susta

Conocida la composición de un combustible y basándonos en la este

‐ Masa volumen de aire mínimo necesario ara realizar la combu‐ Masa y volumen de los productos de la combustión‐ Composición de los gases de combustión

Las le es fundamentales en las ue se basa son:

Leyes Ponderales

•Ley e conservación e a masa Ley e LavoisierLa masa total de las sustancias que reaccionan (reactivos) es iguatotal de las sustancias resultantes (productos).

•Ley e a composición constante o e ini a Ley e Proust :Cuando dos o más elementos, o compuestos reaccionan para formacompuesto lo hacen siempre en una proporción en peso fija.

Por ejemp o para generar agua a re ación entre os gramos e i r

de oxígeno es de 1 a 8 (1/8), es decir, un gramos de hidrógeno se co8 gramos de oxígeno para dar agua (9 gramos, aplicando Lavoisier)

cias reaccionantes o reactivos los roductos enerados.

uiometría podremos dar respuesta a preguntas como:

tión

l a la masa

r un mismo

geno y os

binará con


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Leyes Ponderales

•Ley de las proporciones múltiples (Ley de Dalton):Las cantidades de un mismo elemento que se combinan con unarelación de los números enteros sencillos.

•Ley de los pesos de combinación (Ley de Richter):Los pesos de diferentes sustancias que se combinan con un mismo

Leyes Ponderales aplicables a gases. Leyes volumétricas

mu tip ica a por un número senci o . Esto con uce a ijar para ca a

•Ley de los volúmenes de combinación (Ley de Gay‐ Lussac):Los volúmenes, medidos en las mismas condiciones, de las

interviene en una reacción química están en una relación de núm.

•Ley de Avogadro.Un mismo número de moléculas de cualquier gas ideal ocupa sie

, .

cantidad fija de otro para formar varios compuestos están en la

peso de otra dan la relación en que ellos se combinan entre si (oemento un peso e com inación re ativo a os emás.

sustancias que

eros enteros y

mpre el mismo


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De esta forma, un mol de cualquier gas ideal, que según el núcondiciones normales (101.325 Pa y 273,15K) ocupa un volumen de:

T RV T RnV P 15,273314472,8.

R = 8,314472 m 3·Pa/K·mol

El ratio entre el volumen molar y el peso molecular nos da eles ecífico en unas condiciones P T determinadas:

Con el volumen específico, podremos conocer la masa de una susta

Si conocemos el volumen en condiciones normales (VN, Nm3), podee erm nar su equ va en e en o ras con c ones e a y

mediante la siguiente relación:

ero de Avogadro equivale a 6,022· 1023 moléculas/átomos, en

l Nm Nm 4,224,2202241,0 33

Nm3/kg

olumen

ló

k Nm

k kmol Nm

3

34,22

O2

0,7

CO2 0,5091

H2O 1,244

kmol SO2 0,35N2 0,8

ncia que contiene un volumen determinado.

mos ''

'' V325.101 T V PV , '' ,15,273 PT


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Oxígeno mínimo a suministrar en la combustión

Para combustibles sólidos y líquidos, la información suministradaconoceremos el % en masa de Carbono, de Hidrógeno, de Azufre,

oxígeno necesario para la combustión.Las reacciones teóricas que tendrán lugar con estos elementos serán

Esto im lica ue

En términos molares: 1 kmol de C se combina con 1 kmol de1 kmol de H2 se combina con 0,5 kmol

Por lo tanto, el oxígeno que debe suministrarse para obteneruna combustión teórica, es decir, el oxígeno mínimo asuministrar por kmol de combustible será:

Siendo: C, la fracción molar de carbono en el combustible, H2, lde azufre en el combustible O2c la fracción molar de oxí eno e

eórica.es la composición elemental en porcentaje másico. Por lo tantode O2 y de otros componentes que no influirán en el cálculo del

kg MJ O H O H

kg MJ COOC

/14221

/8,32

222

22:

2 y produce 1 kmol de CO2.e O2 y produce 1 kmol de H2O.

.

cOS Okmolde

H Okmolde

C Okmolde

O 22

222

min,2 15,01 2

fracción molar de hidrógeno en el combustible, S la fracción molarn el combustible.


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De acuerdo con la ley Avogadro, como un mol decualquier gas ideal ocupa el mismo volumen, la misma

relación entre moles se establece entre volúmenes.

1 N1 N

1 N

Por lo tanto, el oxígeno que debe suministrarse para obteneruna combustión teórica, es decir, el oxígeno mínimo asuministrar or Nm3 de combustible será:

Siendo: C, la fracción volumétrica de carbono en el combustiblfracción volumétrica de azufre en el combustible y O2c la fracció

En términos másicos: 12kg de C se combinan con 32 kg d

32 kg de S se combinan con 32 kg

S dekg

Odekg H

H dekg

OdekgC

C dekg

OdekgO 22

2

22min,2 1866,2

eórica.3 de C se combina con 1 Nm3 de O2 y produce 1 Nm3 de CO2.3 de H2 se combina con 0,5 Nm3 de O2 y produce 1 Nm3 de H2O.3 de S se combina con 1 Nm3 de O2 y produce 1 Nm3 de SO2.

cOS S de NmOde Nm

H H de NmOde Nm

C C de Nm

Ode NmO 23

23

22

32

3

32

3

min,2 15,01

, H2, la fracción volumétrica de hidrógeno en el combustible, S lan volumétrica de oxígeno en el combustible.

O2 1kg de C necesita 2,66 kg de O2 y genera 3,66kg de CO2

e O2 1kg de S necesita 1 kg de O2 y genera 2 kg de SO2

cOS 2en o: , , y c as racc ones m s cas e

carbono, hidrógeno, azufre y oxígeno presentes enel combustible respectivamente.


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Puesto que el oxígeno y los productos de la combustión estaránestado gaseoso, será más útil conocer los Nm3 de O2 necesarios pa

quemar 1kg de C. Aplicando el factor de conversión Nm3/k

El término 1,862 Nm3 de O2/ kg de C, lo obtenemos teniendocuenta el balance másico de la reacción, el peso molecular del O2 y

Por lo tanto, para obtener una combustión teórica (estequiométrica)

Ley de Avogadro. Así, podemos escribir la siguiente expresión:

N C

Ode NmO

23

min,2 6,5862,1

Siendo: C, H2, S y O2c las fracciones másicas dvolumétrica de oxígeno respectivamente.

eórica.

na

,

1kg de C necesita 1,862Nm3 de O2 y genera 1,862Nm3 de CO21kg de H2 necesita 5,6 de O2 y genera 11.2 Nm3 de H2O

1kg de S necesita 0,7 Nm3 de O2 y genera 0,7 Nm3 de SO2

nla

Ode NmOde NmOdekmolOdekg 23

23

22 862,14,221

66,2

, el aporte mínimo de oxígeno debería de ser:

22

cOS Ode Nm

H Ode

22

3

22

3

7,0 2

carbono, hidrógeno, azufre y la fracción


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Oxígeno mínimo a suministrar en la combustión Para combustibles gaseosos y algunos líquidos, la composición suminiLa reacción estequiométrica de la molécula genérica de un hidrocarbu

a o que e en cump rse as

balance de átomos de C: n = balance de átomos de H: m =

OcH bCOaO H C mn 222

a ance e omos e : a =

Del resultado anterior puede realizarse tres lecturas:

‐‐

m/2 kmoles de H2O.

‐ Expresado en volumen normal: 1 Nm3 de CnHm requiere de n+m.

kg

mnmn

1248 de O2 para

‐ A nivel másico:

1 g e CnHm consume

324,22

1248

mnmn

Nm3 de O2

eórica.strada es la de los gases que integran la mezcla.ro podemos obtenerla de la siguiente forma:

O H m

nCOOm

n H C mn 222 24

eyes pon era es.

→ b= n 2c → c= m/2 + c → a= n+m

,

/4 Nm3 de oxígeno para su combustión completa, produciendo n

enerar kgmn

n12

44 de CO2 y kgmn

m12

9 de H2O

ara generar 444,22

1244

mnn

Nm3 de CO2 y 184,22

129

mnm

Nm3 de H2O


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A modo de ejemplo, la oxicombustión del propano daría el siguiente r

Dado que deben cumpliponderales.

balance de C: 3 = bbalance de H: 8 = 2cbalance de O: 2a = 2b +

OcH bCOaO H C 22283

Del resultado anterior puede realizarse tres lecturas:

‐ A nivel químico: 1mol de C3H8 requiere de 5 moles de O2 para suH2O.

‐ Si el combustible es un gas: 1Nm3 de C3H8 se combina con 5 Nm3

‐ Si el combustible es líquido o sólido:

de O2 para gen1kg de C3H8 consume 3,63 kg2 4 Nm de O2 ara e

eórica.sultado

rse las leyes

O H COO H C 22283 435 → b= 3→ c= 4

c → a= 5

combustión completa, produciendo 3 moles de Co2 y 4 moles de

de O2 produciendo 3 Nm3 de CO2 y 4 Nm3 de H2O.

erar 3kg de CO2 y 1,63 kg de H2Oerar 1 Nm de CO2 2 02 Nm de H2O


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Los constituyentes de un combustible gaseoso y sus reacciones de ox

1

COOCO 22

222

212

Om

n H C iimini 24

Por lo tanto, la cantidad de oxí eno mínimo a suministrar será:

H H de NmOde Nm

COCOde NmOde Nm

O 22

32

3

32

3

min,2 5,05,0

Siendo: ‐ CO, el contenido en volumen de monó‐ H2, el contenido en volumen de hidróg‐ CniHmi, el contenido en volumen de cad‐‐ 2c

O H C H CO cn

mn ii 21

2

eórica.idación completas serán:

O H m

COn ii 22 2

cmn

mn

ii O H C H C de Nm

Ode Nmmn

ii

ii

2

1

32

3

4

ido de carbono,enoa hidrocarburo que forme parte de la composición del combustible

ecombustiblde Nm 31.....


31/65

Aire mínimo a suministrar en la combustión teóriLos casos anteriores suponen que se emplea como comburente el oxí

La introducción del aire ambiente en la reacción de combustión implic

Aire Seco. PM:28,97 kg/kmol.Composición

volumétrica/molar Para cálculos en combustiónEl cohum

Molar MásicaN2 79% 76,4%

O2 21% 23,6%

+Relación molar ó volumen ln N2/O2 3,76

Aire/O2 4,76

Relación másica

La encalcul

N2/O2

3,24Aire/O2 4,24

El vol

aire

con l

a.eno. El caso más normal es utilizar aire ambiente.

añadir en la misma los componentes del aire húmedo:

Vapor de Agua. PM: 18 kg/kmoltenido de agua en el aire a una temperatura T(K), una presión P (Pa) y una dad relativa ( (%)), lo determina la humedad específica

..sa

v

vT

v

as

v

kgkg

p- p p 0,622=

mm = p.= p vsv 100

(%)

2

432

T GT F T E T DT C T B A

=vs

273,16


32/65

El Nitrógeno presente en el aire ambiente se considera prácticamentde oxidarse se da a muy altas temperaturas. La formación de NOxcombustión, por lo tanto, sólo tiene trascendencia desde un punto denergético o de análisis de la combustión.

Las vías de formación del NOx son:

1. NOx térmico (85% del total): oxidación de N2 en los gases a altatem eratura de la combustión. Prevalece a altas tem eraturas.

2. NOx cinético: reacciones de N2 con radicales libres procedentede los hidrocarburos. Prevalece a bajas temperaturas.

3. NOx intrínseco: procedente de la combustión de compuestos nitro enados resentes en el combustible

En la figura se observa cómo la formación del NOx se incremetemperatura, pero se mantiene en concentraciones, dentro de loescape, que pueden despreciarse.

N → N2 (a T↑: NO, NO2, N2O4, N2O5, … = NOx)

como inerte en los estudios de combustión dado que su capacidadno tiene un peso importante en la composición de los gases devista de formación de contaminantes, no desde un punto de vista

nta con las gases de


33/65

Aire mínimo a suministrar en la combustión teóri

El vapor de agua (humedad) contenido en el aire húmedo no particvolumen y absorbiendo energía.

3vasvasv w Nm M kmol M kg

3 62,0asvasvas Nm M kmol M kg

ca.

ipa en la reacción de combustión pero está presente ocupando un

333 vvasv Nm Nm M Nm

22

333 ,,OOvas Nm Nm M Nm


34/65

Aire mínimo a suministrar en la combustión teóriPor lo tanto, para obtener una combustión teórica (estequiométrica)

22222 622076,476,3622076,476,3 w

N COO H w

N OC

22222

111

622,076,476,3

622,076,476,3

w

w N SOO H

w N OS

22222

22222

21

176,321

622,076,476,3

21

21

,2622,0

,,22

N O H w

N O H

22 4622,076,4

476,3

4m

nw

N m

nOm

n H C iii

ii

imini

3

min,2 862,1' dekgde Nm

O El oxígeno mínimo según la composiciónproporcionada del combustible, seguirásiendo la determinada en el caso deoxicombustión.

de Nm

de NmO 3

3

min,2 5,0'

ca., el aporte mínimo de aire debería de ser:

2O

2

w

O

2

2

622,076,

622,0,

O H w

2222 476,3

4622,076,4

2 N

mnO H

mn

wmCOnO ii

ii

ii

22

23

23

22

23

2 7,07,06,5 OOdekgOde Nm

S S dekgOde Nm

H H dekg

Ode NmC

C O

nmn

mn

ii ii

ii

H C H C de Nm

Ode Nmmn H

H de Nm

Ode NmCO

O 13

23

22

32

32

45,0


35/65

Aire mínimo a suministrar en la combustión teóriPuesto que el O2 supone el 21% en volumen en el aire seco, el volurealizar una combustión completa o estequimétrica sería:

'O

32

3

,min, ,

21,0 A NmO Nm

s

s

El aire mínimo determinado mediante la fórmula anterior es airePara poder calcular el aire húmedo mínimo necesario deberemos suel volumen de la humedad que contiene dicho aire:

Llamaremos índice de exceso de aire al ratio

s

real

A A

min,

El valor =1 es el indicativo de una combustión teórica, sin embargo,combustión sólo puede darse en condiciones de laboratorio. A nivelemplean índices de exceso de aire mayores que la unidad >1, de es

El exceso de aire seco empleado en la combustión sepuede expresar de forma porcentual:

,las mala mezcla o al poco tiempo de combustión.

( ‐ 1)· 10

ca.en de aire mínimo a suministrar por unidad de combustible para

Ok min,2 Akg s Poder comburívoro

sssh Aw A Humedad A A min,min,min,min, 622,0

eco.arle

Planta de combustión Rango de

ex. aire Exceso O2

Motores de combustión 1,08 ‐1,2 8 ... 20 %

este tipo deindustrial seta forma se

Quemador de gas 1,1 ‐1,3 10 ... 30 %

Quemador de petróleo 1,2 ‐1,5 20 ... 50 % Quemador de carbón en

, ‐ , ...

Tostador de carbón marrón 1,3 ‐1,7 30 ... 70 %

Turbina de Gas 3 300%


36/65


Sustancia ReacciónCarbono C + 0,5 O2 > CO Carbono C + O2 > CO2 Hidrógeno H2 + 0,5 O2 > H2O

Etano

C2H6

+

3,5

O2

>

2

CO2

+

3

H2O

Propano C3H8 + 5 O2 > 3 CO2 + 4 H2O Butano C4H10 + 6,5 O2 > 4 CO2 + 5 H2O

ce eno 2 2 + 2,5 2 > 2 2 + 2 Azufre S + O2 > SO2 Azufre S + 1,5 O2 > SO3

1 g e com urente por g e com usti e(2) Nm3 de comburente por Nm3 de combustible(3) El combustible está en estado sólido en las c

ca.

Relaciones Teóricas

en

peso

(1) en

volumen

(2) 1,33 5,75 ‐ (3)‐ ‐ (3)‐2,66 11,51 ‐ (3)‐ ‐ (3)‐7,94 34,3 0,5 2,39, , ,

3,72 16,07 3,5 16,753,63 15,68 5 23,953,58 15,46 6,5 31,143,07 13,2 2,5 11,9

1 4,32 ‐ (3)‐ ‐ (3)‐1,5 6,48 ‐ (3)‐ ‐ (3)‐

ndiciones consideradas


37/65


introducido no encontrará carbono u otros elementos para reaccicaldera junto con los gases de la combustión. La cantidad de oxíggases de la combustión es un indicador de la cantidad de exceso de aE ren m ento e a com ust n en ca a ca era t ene un punto ptSi a partir de ese punto se reduce el exceso de aire, el rendimientomenor al no lograr oxidarse totalmente los componentes del coinquemados como el monóxido de carbono (CO). Si, por el contrexceso e a re por enc ma e su va or pt mo, e ren m ento tam

una parte del calor liberado en la combustión se destinará a calentaraire introducido y desalojado al exterior por el conducto de evacuaci

combustible sino también de la caldera (que define el espacio didesarrolle la reacción de combustión), del quemador (que defcombustible/comburente y el tiempo de permanencia, por d

alimentación del combustible.Por todo ello, un mismo combustible tendrá valores de índice de een distintas calderas, lo que hace que no se pueda establecer a priorcom uren e y un versa zar es e va or para ca a com us e. odesde un punto de vista de la eficiencia energética se hagacomposición de los gases y ajustar cada instalación a sus condiciones

ca.

nar y abandonará lano contenido en los

ire empleado.o e exceso e a re.

e la combustión serábustible, originando

ario, aumentamos eln sm nu r , ya que

la mayor cantidad den o la chimenea.

ponible para que sene la íntima mezclasplazamiento, de la

ceso de aire distintosi un ajuste original dels ca y o ga a que

necesario analizar laparticulares.


38/65

Composición de los gases de combustión:Como ya hemos visto en las reacciones de combustión completascenizas, son todos de tipo gaseoso: CO2, H2O (procedente de la oxipueda presentar el combustible), SO2, N2 y O2.El nitró eno a arecerá siem re ue se utilice aire como comburenteEl O2, aparecerá en los gases producto de la combustión cuando éincompleta y no se ha consumido todo el comburente.

El volumen masa de los ases de combustión será:

‐ Si nos dan la composición elemental en peso (típico de combustib

H dekgO H de Nm

H V C dekgCOde Nm

C V O H CO2

23

22

3

2 2,11;87,1 2

OV combkg

Ode NmOV N O

23

min2 '76,3;'1 22

Humedad Nm H NmwV 33

622,0

lanteadas anteriormente, los productos generados, a parte de lasación del combustible y de la humedad del aire ambiente y la que

forme arte de la com osición del combustible.sta se realice con exceso de comburente ( >1) ó si la reacción es

les sólidos y líquidos):Contenido másico de agua en el

S dekgSOde Nm

S V Combdekg

O H de NmO H SO

23

22

3

2 7,0;24,1

combkg N de Nm

N 23

2min 8,0 Contenido másico de Nitrógeno en el combustible

ss

AO min,


39/65

Composición de los gases de combustión:‐ Si nos dan la composición volumétrica de los diferentes gases con

33

n

nmniCO

i

ii

H de NmmO H de Nm

H C de Nm

em H C n

COde Nm

emCOV

33

13

23

22 1

n

mnO H

i

ii

C de Nm H de Nm 13

2

32

2

12

Ode Nm 3

comb Nm N O min23min2 ,;

22

Volumen de ases de combustión humos Nm3

Volumen de gases secos de combustión/humos (Nm3)

El

Volumen

de

gases

secos

de

combustión

es

un

dato

necesario

a

la

campo, puesto que los analizadores dan el %CO2 relativo a humos s

tituyentes (típico de gaseosos):

3

icombde Nm

emCO 3

22 ;

3

mi

N de Nm 3

ss

Humedad A A Nm

mwV min,

3

2

622,0

comb Nm 32

el combustible

V V V V Poder fumí eno húmedo

2222,

,

O N SOCOsgc V V V V V Poder fumígeno seco

hora

de

realizar

análisis

de

los

gases

de

escape

con

datos

de

cos


40/65

Análisis de los gases de escapeLas concentraciones de los productos de las reacciones de la comgases de escape son máximas cuando ésta se realiza con ladisminuyendo conforme aumenta el exceso de aire/oxígeno

bustión (CO2, H2O y SO2) en loss proporciones teóricas, y van


41/65

Análisis de los gases de escape Utilizando un analizador de gases de escape se determina el pCO2 y O2 en los gases secos.

La presencia de CO es un indicio inequívoco de una combustión in La presencia de oxígeno es indicio de una combustión con excesde la presencia simultánea de CO y O2 en los gases de escacombustión con exceso de aire pero incompleta.

Las concentraciones volumétricas de CO2 O2 en los ases sutilizadas para determinar el exceso de aire, si la composición delcombustión es completa.En el caso de combustibles sólidos ó líquidos, la relación teórica enentre 0,94< Vgc,s,min As,min


42/65

Análisis de los gases de escape Las concentraciones volumétricas de CO2 y O2 en los gases sutilizadas para determinar el exceso de aire si la composición del

combustión es completa.En el caso de combustibles gaseosos, la relación teórica entre elde aire a suministrar oscila entre 0,9< Vgc,s,min/As,min3560(kcal/Nm3)

Vgc,s,min/As,min 1,95 1,25 1 0,9

a determinación del exceso de oxígeno a partir de las

res ondiente a la concentración cuando la combustión esncentración no sea concluyente, ya que no sabemos en qué


43/65

Análisis de los gases de escape En una combustión teórica el porcentaje volumétrico de CO2 en lmientras que el de O2 es nulo. Conforme el exceso de aire aumen

disminuye

y

el

de

O2

aumenta. E ratio e C H2 en e com usti e tam ién in uye en e porcentajlos gases de escape.

Así, cuando quemamos carbono puro, el ratio C/H2 es 100/0 y elcaso de combustión teórica. Conforme cambia el ratio de C/conten o e car ono y aumentar e e H2, sm nuye e porce

gases de escape. Conforme decrece la relación C/H2 en el combustible, también oc

a ue 1 k de carbón necesita 2.6 k de oxí eno mientras ueoxígeno.

Por lo tanto, el porcentaje de CO2 en los gases de escape descende

o la mayor cantidad de aire requerido en la combustión supondlleva el aire.

Este efecto puede comprobarse en la gráfica siguiente:

s gases de escape es el máximo, a, el porcentaje de CO2

C : H(en masa)

Estequiométrica%CO2

100 ÷

0 21.00 vo umétrico e CO2 y e O2 en

contenido de CO2 es del 100% en2 en el sentido de disminuir el

90 ÷ 1085 ÷ 1580 ÷ 20

.16.6214.8113.19

nta e vo um tr co e CO2 en os 75 ÷ 2570 ÷ 3065 ÷ 35

11.7310.429.23

rre que el valor de As,min aumenta,1 k de hidró eno necesita 8 k de

á conforme decrece el ratio C/H2, debido a:

rá que el CO2 generado se verá más diluido en el nitrógeno que


44/65

Análisis de los gases de escape

La proporción C/H2 oscila entre la mínimacorrespondiente al metano 75/25 y la máxima

95/5 .

Para cada combustible existe una relación única entre lacomposición de los gases de escape y el exceso de aire.

Cuanto menor es la relación C/H2 mayor cantidad devapor de agua estará presente en los gases de escape, loque permite recuperar más energía de éstoscondensando el vapor de agua. Es decir, a menor relaciónC/H2 mayor diferencia entre el Poder Calorífico superior einferior.

onstituent % by vol.


45/65

Análisis de los gases de escape En esta gráfica se muestra el porcentaje volumétrico de CO2 en lo Puede observarse cómo para un mismo exceso de aire, la concent

, aire es muy parecida para un amplio rango de proporciones C/H2

gases secos de escape para diferentes ratios C/H2.ración de CO2 es superior cuanto mayor es la proporción C/H2.

n el combustible.


46/65

Análisis de los gases de escape

El contenido normal de los gases de escape es:

• Vapor de Aguar (H2O)• Nitrógeno (N2): 75‐ 80% en volumen• Dióxido de Carbono (CO2): 7‐ 15% en volumen• Inquemados (CO, H2) debido a combustión incompleta: 50‐ 150 p• Oxígeno (O2) procedente del exceso de aire: 2‐ 8% en volumen.• Óxidos de Nitrógen NOX (NO + NO2) formados a alta temperatur


47/65

Para conocer el rendimiento del proceso de combustión aplicaremo

Para ello deberemos de tener en cuenta el recinto en el que ésta tieestamos en el caso de un sistema abierto.

De forma es uemática un sistema de eneración de ener ía térmica entorno, podemos representarlo según la figura:

Qaportado

‐ Qreacción‐ Q

combustible‐ Qaire,húmedo

aportadoQ El

balance

energético

puede

expresarse

como:

s el primer principio de la termodinámica.

e lugar y los flujos de masa y energéticos que lo atraviesan, si

or combustión ue sólo intercambia ener ía térmica con su

‐ Qtransmisión calor

Qpérdidas‐ Qgases escape‐ Qpurgas‐ Q

Qútil

pérdidasutil Q


48/65

Una vez conocidos los flujos energéticos, el rendimiento de la ca

‐ Método directo‐ Método indirecto

‐

Es necesario medir temperaturas de entrada ysalida del fluido secundario que estemos

f mT m

Ahe Ah,

,

, ,caudal de combustible y del fluido secundario(agua).

Se des recia el calor a ortado or los flu os

PT hPT hm

másicos de combustible y comburente

f f aportadocaldera mPCI Q

,,,,

ldera puede determinarse de dos formas:

gcgc T m ,

wwswsw PT hm ,, ,,

wwewew PT hm ,, ,, f eT ,

HR

Ventajas• Evaluación rápida del rendimiento

• Pocos datos necesarios• Pocos instrumentos de medida• Empleado para evaluación de rendimiento en RD 275/1995

Desventajas • o apor a n ormac n so re os mo vos e un a o

rendimiento• Es necesaria la utilización de dos caudalímetros,

especialmente el que mide el caudal de agua.


49/65

‐ Método indirecto:

Supone determinar todas las corrientes energéticas de salida queno suponen aprovechamiento del calor generado en lacombustión, es decir, evaluar Qpérdidas

sigiaportado

tr

aportado

gc

aportado

pérdidas

aportado

útilcaldera p pQ

Q

Q

Q

Q

Q

Q

Q,,11

Supone determinar todas las corrientes energéticas de salida que nes decir, evaluar Qpérdidas

Ventajas• Supone realizar un balance másico y energético completo• La información aportada permite identificar fallos y

establecer puntos de mejora.

Desventajas• Requiere mayor aporte de datos.• Requiere más tiempo de cálculo.• Requiere herramientas de cálculo.

suponen aprovechamiento del calor generado en la combustión,

atos necesarios para el cálculo:Composición del combustible (H2, O2, S, C, humedad, cenizas)

% oxí eno ó CO2 en los ases de combustión Temperatura de aporte del combustible (Te,f )Temperatura (Te,Ah) y humedad específica del aire comburentePCI ó PCS del combustible% cenizas en combustible (en caso de combustible sólido)

PCS

de

las

cenizas

(en

caso

de

combustible

sólido)

.


50/65

Calor aportado – Calor de reacción.

El balance energético obligará a utilizar valores de entalpíadiferentes compuestos, por ello, todos deben estar referidos a

º, .

Utilizando el mismo nivel de referencia el proceso de combustpuede representarse en un diagrama de presiones temperatura.

La energía de la reacción de combustión es la energía térmicaportada al proceso de combustión (Qaportada) y puede determinarsde dos maneras:

1. A partir de las reacciones químicas generadas en la combustióy de las entalpías de formación de productos y reactivos. Parello es necesario conocer la composición exacta dcom usti e y os va ores e as enta pías e ormación.

P

RPreacción n

deun

h(kJ/kg fuel) Reactivos

ónProductos con H2O (gas)

Productos con H2O (líquidPCI

(T ref )· m(H2Opor kg fuel)

al

TTref:298K Tr Tp

R

Rii pi n


51/65


La entalpía, tanto de los productos como de los reactivos, se calc

(),([ ),( , hT PhhT Ph iio

i f i

en condiciones estándar298K

La entalpía de formación ( ) de un compuesto químico es la varo f hpartir de las especies elementales que lo componen. Estos valore

Por convenio internacional, la entalpía de formación de cada eleO2(g), N2(g), H2(g), C(s))

)298,1( K atmh

Si el valor de la ental ía de formación es ne ativo uiere decir u

la mediante la siguiente expresión:

)]298, K atm

T K p298 ,

iación de entalpía de la reacción de formación de dicho compuesto ade entalpía se encuentran tabulados.

ento en su estado natural en condiciones estándar es cero, (ej.,

0o f h

e la reacción es exotérmica.


52/65


El calor de la reacción de combustión del propano a 25ºC y 1 atm, se

C3H8 + 5 O 2 → 3

)()( R RiiP pii RPaportado T hnT hn H H Q

(1)800.241(4)500.393(3

5143 8322 ,,, o

H C f o

O H f o

CO f hhhh

La componente sensible de cada entalpía es nu a, puesto que a reacc n se rea za en condiciones estándar.

calcularía:.

CO 2 + 4 H 2O

kJ2.043.90005)800.103

2,o

O f

mo


53/65

CH3OH (metanol) -238,8

C2H5OH (etanol) -277,0


54/65

Calor aportado – Calor de reacción.2. Midiendo experimentalmente en una bomba calorimétrica

condiciones estacionarias de una unidad de masa o volumen

El estado de agregación del agua en los gases de combustión noshace diferenciar entre el Poder Calorífico Superior y el Inferior

UHV,HHV ó Gross Calorific Value GCV)) se define cuando el aguproveniente del combustible o formada durante la combustión sencuentra en su totalidad en estado líquido en los productos dcombustión.Incluye por tanto el calor cedido por la condensación del agucontenida en los productos de combustión, que es de 2,442 MJ/k(43,96 MJ/kmol).

Poder calorífico Inferior, PCI, (Lower Heating Value: LHV, Necalorific Value: LCV) se define cuando toda el agua proveniente decombustible o formada durante la combustión se encuentra comvapor en os pro uctos e com ustión No compren e e ca orcondensación, y su valor, lógicamente, es inferior al PCS.

la energía obtenida de la combustión a volumen constante y enen unas determinadas condiciones de Presión y temperatura.

l Berthelot Mahler ‐ 1889


55/65


Conocido el contenido de agua podemos determinar la relacexpresión:

PCS = PCI +hofg· H2O

‐ hofg calor latente del agua en condiciones está‐ H2O contenido de agua por kilogramo de com

El contenido de agua en los gases de combustión tiene tres proc

a) Generado por la oxidación del hidrógeno, en este caso el va

b Humedad contenida en el combustible en este caso elcombustible H2Ocomb(kgH2O/kgcomb)c) Humedad contenida en el aire ambiente, en este caso depe

Por lo tanto el valor H2O odemos determinarlo con la si uient

O H H C m

H O H ci

minii

29 222

ión entre ambos poderes caloríficos mediante la siguiente

PCS > PCI

dar, 25ºC (kJ/ kgH2O, kJ/ kmolH2O)ustible (kgH2O /kgcomb ó kmolH2O/kgcomb)

edencias:

lor de agua obtenido es de: 9 kgH2O /kgH2· H2 kgH2/kgcomb

valor en los ases de esca e será la concentración en elde de la humedad específica del mismo

ex resión:

combkgkg

Aw O H

seombustibl ,2

min,.


56/65

Calor aportado – Calor de reacción.Conocida la composición elemental de un combustible, puede deteraplicando la fórmula de Dulong u otras que la modifican:

= · · ‐ ·. . .

PCS (MJ/kg) = 33,6 · C + 141,8 · H2+ 9,4 · S ‐ 14,5 · O2

= , , , , – , – ,

PCS (MJ/kg) = 35,15· C + 116,17· H2 + 6,276· N2 + 10,46· S – 11,09· O2

PCS (MJ/kg) = 33,5 · C + 142,3· H 2– 15,4 · O2 – 14,5 · N2

= , + , + , ‐ , + – , ·

on e: C : kg de carbono por kg combustible H : kg de hidrógeno por kg combusO: kg de oxígeno por kg combustible S : kg de azufre por kg combustibleN: kg de nitrógeno por kg combustible A: kg de cenizas por kg combustiblH2Ocomb: kg de agua por kg combustible

*La composición está dada para una muestra seca

** La composición está dada para una muestra húmeda

minarse el poder calorífico superior del combustible

* ‐

*Dulong ‐ Genérica

** –

* Boie 1980 – Carbón y derivados líquidos del petróleo

* Demirbas et al. 1997 ‐ Biomasa

‐

ible

3 Nm MJ GasPCS PCS n

ii

En el caso de mezclas gaseosas se empleará la expresión:

Donde:

Gasi es la concentración de cada componente de la mezcla (Nm3/Nm3)

Condiciones Estándar


57/65

kJ/Nm 3 kJ/Nm 3

Fuel HHVMJ /kgHHV

kJ /molLHVMJ/kg

Hydrogen 141.80 286 119.96

Methane 55.50 889 50.00

. , .

Propane 50.35 2,220 46.35

Butane 49.50 2,877 45.75

Pentane 45.35

. .

Paraffin wax 46.00 41.50

Kerosene 46.20 43.00

Diesel 44.80 43.4

.

Coal (Lignite ) 15.00

Wood (MAF) 21.7

Peat (damp) 6.00

ea ry .

Methanol 22.7 726.0

Ethanol 29.7 1,300.0

Propanol 33.6 2,020.0

Acetylene 49.9 1,300.0

Benzene 41.8 3,270.0

Ammonia 22.5 382.0

. .

Hexamine 30.0 4,200.0

Carbon 32.8 393.5


58/65

Iain Staffell, University of Birmingham, UK


59/65

Calor aportado – Calor del combustible

El calor aportado por el combustible se determinará:

P f T

f P f fuel cmdT cmQ f e

ref

,,

,

El calor aportado por el aire seco comburente se determinará:

T Ase ,

sT

AP f s As AdT cm AQref

s min,,min,

E ca or aporta o por a ume a presente en e aire am iente c

T Ase ,

T sse

ref

,m n,,, 22,,

y del aire comburente.

ref f e T T ,

ref Ase AsP f T T c ,,

m urente se eterminará:

resesse ,,m n,, 2

,,


60/65

Pérdidas – Calor sensible en ases de cLas pérdidas por los gases de combustión se evalúan con la siguie

i

T

T Pii f gcsensiblegc c xmV Q

gc

ref

,

Estas pérdidas dependen de la diferencia entre la temperatura descape, del calor específico de estos gases y del exceso de airpotencia aportada.

as un a es e rm no gc e en r acor es con as e cau a

Dado que los gases de combustión son una mezcla deberá detesumando el calor específico de cada componente (cPi) corregido ces necesar o e erm nar a compos c n e os ases e escape.

El término Vgc incluye la humedad contenida en el aire y en el comSi se quiere operar con el PCS, deberemos de tener en cuentacon en o en os ases e escape:

HuO H latentegc V V Q

2,

mbustión érdidas or chimenea .nte expresión:

ref gcgcP f gc T T cmV T ,

entrada del comburente (aire) y la de salida de los gases dee. Normalmente están comprendidas entre el 6 y 10% de la

com us e , mo m

rminarse el calor específico como el de una mezcla,on la proporción del mismo en la mezcla (xi), por eso

ustible, así como el vapor de agua formado.el calor latente de condensación del vapor de agua

ref gf f medad T hm


61/65

PdT c

T

T P

ref

R = 8.314,472 J/K·kmol

kgkJ

T T d

T T c

T T b

T T a ref ref ref ref 443322

432


62/65

Pérdidas – Por in uemados

Inquemados gaseosos (pi,g): presencia de CO, H2 y HC (hidrocarb

Si la combustión es correcta, son muy pequeñas, su valor suelcaldera con combustibles gaseosos.

1000(

21,021,0

2,

ppm HC O p gi

Donde: CO : concentración en ppm de COHC: concentración en ppm de hid

ros).

estar muy por debajo del 0,5% de la potencia útil de la

3100)( ppmCO

en los gases de escape ocarburos en los gases de escape


63/65

Pérdidas – Por in uemados

Inquemados sólidos (pi,s):

‐ Cenizas: propio e com usti es só i os

a

P f

a ortado

inquemadosczsi

Q

cmCz

Q

Q p

,,

‐ Hollín: generan un humo negro (hollín), y son propios de los co

Se evalúan sobre los gases de escape, midiendo el índice de opa

% de pérdidas sobre el combustible 0,7 1,3 2,4 3,5

ortado

ref czcz T T ,Cz: tanto por uno de cenizas en el combustibleCp,cz:calorespecífico de las cenizasTcz: temperatura de salida de las cenizas

bustibles líquidos y sólidos.

idad o de Bacharach

OP(%)6500

(%)21

21

2,,

OPO

p opsi

Bacharach Pérdidas Características ( % PCI) de la combustión

1 0,8 Excelente. Ausencia de Hollín 2 1,6 Buena. Hollín poco perjudicial

4,7 6

3 2,4 e ana. er a can a e o n. mp eza anua

4 3,5 Pobre. Humo visible. Moderado a rápido ensuciamiento

5 4,6 Muy pobre. Ensuciamiento seguro. Varias limpiezas al año 6 5,7 Pobrísima


64/65

Pérdidas – Por transmisión de calor

Convección

Radiación


65/65

Q

aportadocomb Q

aportado

útilcaldera Q

100.0 %

Fuel

Fuelóleo Gasóleo Gas naturalExceso de aire % 15 a 20 10 a 15 5 a 10O2 % 3 a 4 2 a 3 1 a 2

- CO ppm 400

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Lecture 1 Combustibles - Combustion_1