Post on 16-Jan-2016
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Introducción a los
Procesos de Combustión
Capítulo 2
Prof. Glenda Noboa
Semestre A-2015
¿Qué es la combustión?
Combustible
Com
bure
nte
O2
(Aire)
Gases CO2
H2O
CO
SO2
Combustión completa:
C + O2 CO2
S + O2 SO2
Combustión Incompleta:
C + ½ O2 CO
H2 + ½ O2 H2O
calor
¿Qué es la combustión?
¿Reacción Exotérmica??
Energ
ía d
e
form
ació
n
R
P
Avance de la reacción
HR = Hfproductos - Hfreactivos = (-)…
Libera calor !!! E
Energía de
Activación
¿Qué es la combustión?
Combustible
Com
bure
nte
O2
(Aire)
Gases CO2
H2O
CO
SO2
Combustión completa:
C + O2 CO2
Combustión Incompleta:
C + ½ O2 CO
H2 + ½ O2 H2O
calor
HR = (-)
Temperatura de
ignición
Objetivos de la Combustión…
Producir Energía Aprovechable
Obtener de dicha quema, gases como combustibles
secundarios :
Gasificación
Calderas
Hornos Intercambiadores Economizadores
Es importante considerar…
El contacto entre el combustible y el comburente • Sólido
• Líquido
• Gaseoso
Cantidad de aire empleado
Ventajas de combustibles líquido sobre sólidos: • Mayor Hc o PC
• Asegura mayor contacto con el O2
• No tiene cenizas (menos gasto de energía)
• No tiene “humedad”
Tipos de Combustibles…
Según su Orígen… Naturales Artificiales
Gaseosos:
Sólidos:
Líquidos:
Según su Estado…
• Madera
• Turba
• Carbón mineral
• Biomasa
• Coque
• Carbón vegetal
• Petróleo
• Fracciones de Petróleo
• Alquitrán
• Aceites vegetales y animales
• Gas natural de petróleo
• Gas de Pantano, Biogas (CH4)
• Gas de aire y gas azul
• Gas Carburado
• Gas Licuado (propano,
propileno, butano, butadieno)
Tabla I.- Rango de composiciones de carbones
Tipo % C %H % O % S % N
Madera
Turba
Lignito
Sub-bituminoso
Bituminoso
Antracita
49-50
50-64
50-75
82-89,5
91-92
92-96
6
4,7-6,8
4-8
4,6-5,6
3,8-4,1
3-4
43-44
28,6-44,1
12-37
3-15
2,2-2,5
2-4
0,5-1,5
0,5-1,0
0,5-1,0
< 0,5
0,5-1,5
0,5-1,5
0,5-1,5
< 1
Combustibles Sólidos… El Carbón
1. Formación del carbón: Proceso de carbonización
Clasificación según la ASTM
Estructura del Carbón
Análisis de Combustibles
sólidos. Carbón
2. Análisis:
Análisis Aproximado
(ASTM)
- Humedad: 1gr @ 105°C x 1h
- Materia Volátil: 1gr @ (950 20)°C x 7min
- Cenizas: 1gr (700-750)°C con ignición hasta
peso constante
- Carbono fijo: por diferencia de la masa inicial
Análisis Básico o
elemental
Reporta: C, H, O, S, N, cenizas y humedad
(el O, por diferencia)
Tabla 2.- Materia volátil
Tipo % volátil
Madera
Turba
Lignito
Sub-bituminoso
Bituminosos
Antracita
mas 50
mas 50
hasta 50%
20 a 30
5 a 10
menos 10
Tabla 3.- Poder calorífico superior.
Material seco
Tipo Kcal/Kg
Madera
Turba
Lignito
Sub-bituminoso
Bituminoso
Antracita
2500 a 3600
3000 a 4000
4500 a 5500
6500 a 8500
6500 a 8500
8500 a 9000
Análisis de Combustibles
sólidos.
3. Poder Calorífico: cantidad de energía que libera el
combustible, en base a: Tref: 25°C
C CO2
H2 H2O
S SO2
PC -Hc
Dependiendo del estado físico del agua final:
PCS H2O (líquido)
PCI H2O (vapor)
Análisis de Combustibles
sólidos.
4. Hidrógeno neto (H2): H2 total del combustible menos el H2 que
se combina con el O2 del combustible para formar agua
(combinada).
5. Agua Combinada: Es el agua que se forma al reaccionar el H2 con
O2 presentes en el combustible
6. Ecuación de Calderwood:
𝐶 = 5.88 + 0.00512(𝐵 − 40.5 ∗ 𝑆) ± 0,0053 80 − 100𝑀𝐶𝑉
𝐶𝐹
1.55
7. Ecuación de Dülong:
𝑃𝐶𝑆𝐵𝑡𝑢
𝑙𝑏= 14544 ∗ 𝐶 + 62028 𝐻 −
𝑂
8+ 4050 ∗ 𝑆
C = %p Carbono
B = PCS (Btu/lb)
S = %p S
CF= %carbono fijo
MCV = %volátiles
C, H, S = fracciones
en peso
Análisis de Combustibles
sólidos. Carbón
Análisis de los gases…
Análisis Orsat: (no reporta SOx ni H2O)
CO2
(NaOH)
O2 (Ac.
pirogálico)
CO
(CuCl)
2 variantes:
- Columna de Hg
en vez de NaOH
- Columna
adicional de PbO2
Aprovechamiento tecnológico
del carbón
Destilación o Pirólisis: se obtiene coque e
HC (gases y alquitrán)
Hidrogenación: Hidrocraqueo para obtener
HC de menor PM (líquidos)
Extracción de la materia carbonosa con
Solventes (éter, acetona, benceno,
anilina, fenol)
Gasificación.
Pirólisis del Carbón
Carbón Tritura y
tamiza
Horno
T : 900-
1000°C
Extracción
de alquitrán
(350-500°C)
Coque
Gas de
coque:
CO2
CO
O2
C2H4
CH4
H2
N2
Alquitrán
Destilación
300°C
Aceites
Brea
H2O
NH4OH
Aceite
Benceno
Gas
residual
Carbón
Aire
Vapor
CO2
CO
H2
CH4
N2
Cenizas
Alquitrán
Reacciones:
Gas pobre: C + O2 CO2 + 96000 cal
CO2 + C 2CO -40000 cal
2C + O2 2CO + 56000 cal Balance Exotérmico
En estas reacciones vemos que la T
juega un rol determinante, según el
equilibrio de Bouduard:
𝑘𝑝 =𝑃𝐶𝑂2
𝑃𝐶𝑂2
Log Kp = 9,1106 – (8841,7/T)
Reacciones:
Gas pobre: C + O2 CO2 + 96000 cal
CO2 + C 2CO -40000 cal
2C + O2 2CO + 56000 cal Proceso Exotérmico
Gas azul: (Gas de síntesis)
T > 900°C es:
C + H2O CO + H2 – 30000 cal
C + 2 H2O CO2 + H2
Proceso Endotérmico
Gas de productor: es obtenido por la reacción simultánea de aire y vapor.
C + O2 CO2 +96000 cal C + Aire CO2 + N2
CO2 + C 2CO -40000 cal
C + H2O < CO + H2 – 30000 cal
CO + H2O CO2 + H2 + 10000 cal
GNS C + 2H2 CH4
CO+ 3H2 CH4 + H2O
*
*
Lurgi
(1926)
H 8m
D 3-5m
Winkler
(1931)
H: 15m
D: 5-6m
Koppers-
Totzek
(1931)
H: 15m
D: 5-6m
*Lecho movible Lecho Fluidizado Lecho Arrastrado
Parámetros
Ceniza cae por gravedad.
Parrillas de distribución
mecánica
3 zonas: precalentamiento,
gasificación, combustión
Gradiente de T
Proceso de respuesta lenta
Lecho dispuesto en una o
varias zonas.
T y composición uniforme
a lo largo del lecho.
Proceso de respuesta
moderada.
Flujo de la suspensión
hacia arriba o hacia abajo.
Altas temperaturas y alta
velocidad.
Proceso de respuesta
rápida.
Ventajas
Alta eficiencia de
reacción.
Bajo arrastre de cenizas.
Baja T de operación.
Bajo requerimiento
Aire/oxígeno
Alto grado de uniformidad.
Excelente contacto gas-
sólido.
Tiempo de residencia
menor que el de lecho
móvil
Mayor rendimiento por
unidad de lecho
Maneja todo tipo de
carbón sin tratamiento
previo.
Bajo consumo de vapor.
Excelente contacto gas-
sólido.
No forma alquitrán.
Alta capacidad por unidad
de volumen.
Separa bien la ceniza
*Lecho movible Lecho Fluidizado Lecho Arrastrado
Desventajas
Requiere carbón de
tamaño específico.
Se debe tamizar para
separar finos del carbón.
Baja capacidad.
Baja T de salida del gas.
Produce alquitrán e HC
pesados.
Alto consumo de vapor.
Produce fenoles.
Requiere carbón de
tamaño específico.
El carbón debe estar bien
seco.
Requiere distribución del
gas más complicada.
Gran pérdida de carbón
con cenizas.
Sensible a las
características del
combustible
Requiere tamaño de
partículas < 200 mesh
Se requiere un control
estricto de la reacción
*