D-T 01 CEIQ 2013-14.pdf

COMBUSTIBLES Y ENERG ÍA EN INGENIERÍA QUÍMICA

Tema 3. TECNOLOGÍA DE LA COMBUSTIÓN

Antonio Gutiérrez Lavín

Tema 3. TECNOLOGÍA DE LA COMBUSTIÓN

1. TERMOQUÍMICA DE LA COMBUSTIÓN1.1. Constituyentes

1.1.1. Reactivos: Combustibles y Comburente1.1.2. Productos: Gases de combustión, Partículas, cenizas y

escorias 1.1.3. Llama

1.2. Balance de materia1.3. Balance de energía

2. EQUIPOS PARA LA COMBUSTIÓN2.1. Hogar2.2. Caldera2.3. Horno2.4. Tiro y chimenea

3. COGENERACIÓN

TERMOQUÍMICA DE LA COMBUSTIÓN

La combustión es el proceso de oxidación rápida de los elementos reactivos de una sustancia denominada combustible, que trae comoconsecuencia la liberación de energía, al formarse los productos de la combustión, que por lo general está acompañada de luz (llama).

Reactivos (+ Excitación) � Productos + Calor + Luz

El estudio de las reacciones de combustión considera: - Balance de materiaContabilidad exacta de todos los materiales que entran, salen, se

acumulan o se agotan en un intervalo de tiempo de operación dado.- Balance de energíaDe acuerdo con el primer principio de la termodinámica, la energía

es indestructible y la cantidad total de energía que entra en un sistema debe ser exactamente igual a la que sale más cualquier aumento dentro del sistema.- Balance de entropía y exergíaDe acuerdo con el segundo principio de la termodinámica se

establece la irreversibilidad del proceso de combustión y también su eficiencia.

Transformación de la energía química en otras formas de energía

Constituyentes

• Reactivos- CombustiblesLos tres elementos activos más importantes en los combustibles

habituales son: C, H2 y S.- ComburenteO2 oxidante: Oxígeno del aire, oxígeno puro y aire enriquecido.

• Productos- Gases de combustiónTales como: N2, CO2, H2O, SO2, etc.

- Partículas- Cenizas- Escorias

• Llama

Combustible

• Combustible es cualquier material capaz de liberar energía cuando se quema, y luego cambiar o transformar su estructura química.

• Los combustibles son sustancias con un alto contenido de energía química procedente de los enlaces de su estructura molecular. La conversión de este tipo de energía en otro tipo de energía útil puede realizarse por distintos caminos, que ofrecen distintos grados de reversibilidad, lo que según el Segundo Principio de la Termodinámica está ligado a la eficiencia del proceso.

• Clasificación de los combustibles por naturaleza:+ Combustibles sólidos

- CarbónAntracitas, hullas, lignitos, carbones bituminosos, coque,

alquitranes.- Madera y aserrín.- Biomasa y residuos de la industria agroalimentariaCáscara de piñón, frutos secos, girasol, orujo de aceituna, ...

- Residuos sólidos urbanos (R.S.U.).

Combustible

+ Combustibles líquidos- Procedentes prácticamente en su totalidad del petróleo, así:

kerosenos, gasóleos (A, B y C), naftas, fuel óleos (ligeros, medios y pesados, nº1, nº2), gasolinas, asfaltos.

Se clasifican en función de su viscosidad:. Tipo 1

No necesitan calentamiento para ser bombeados ni pulverizados en el quemador; por ejemplo, gasóleo.

. Tipo 2Necesitan calentamiento para pulverización en el quemador.

. Tipo 3Necesitan calentamiento en el tanque, para bombeo y en el

quemador; gasóleo nº1.. Tipo 4

Aún mas viscosos que los del tipo 3; necesitan calentamiento en varios puntos del quemador.

- Procedentes de fermentación: metanol de origen vegetal

Combustible+ Combustibles gaseosos

- Pueden proceder del tratamiento del carbón, materia orgánica o petróleo, o encontrarse en la naturaleza en su forma original.

- Gas natural: Principalmente metano más hidrógeno.- Gases Licuados del Petróleo (GLP): Propano y butano.- Aires propanados y butanados- Carbón gasificado- Hidrógeno (tecnología en desarrollo)- Procedentes de fermentación: Metano de digestores y otros.- Gases de proceso: gas de horno alto, gas de coquería, ...Se clasifican por familias:- Primera familia: Incluye los gases manufacturados (Grupo a) con

un índice de Wobbe superior comprendido entre 22,4 MJ/m3 y 24,8 MJ/m3.- Segunda familia: Incluye los gases naturales y las mezclas

hidrocarburos-aire cuyo índice de Wobbe superior esté comprendido entre 39,1 MJ/m3 y 54,7 MJ/m3.- Tercera familia: Incluye los gases licuados de petróleo cuyo índice

de Wobbe superior esté comprendido entre 72,9 MJ/m3 y 87,3 MJ/m3.

Combustible• Principales propiedades de los combustibles:

- Composición - Densidad- Viscosidad- Granulometría- Potencia calorífica, o poder calorífico, es el calor desprendido por la combustión completa de una unidad de masa de combustible, la cual es numéricamente igual a su calor de combustión, pero de signo contrario. Se suele expresar en kJ/Nm3 o kcal/Nm3 y estárelacionado directamente con la composición.. Potencia calorífica total o Poder Calorífico Superior (PCS): Calor

desprendido en una combustión completa a presión constante y temperatura de 25ºC, cuando toda el agua, la inicialmente presente y la formada en la reacción se encuentran en estado líquido.. Potencia calorífica neta o Poder Calorífico Inferior (PCI): Como

en el caso anterior, pero se considera que el agua se encuentra en estado de vapor a 25ºC.El PCI se obtiene restando del PCS el calor latente de vaporización a 25ºC del agua formada y vaporizada en la combustión.

Poderes caloríficos y rendimientos de combustión de los combustibles más usuales

Combustible Potencia calorífica Rendimiento combustión

(%) Inferior Superior

ButanoCarbónFuelóleo

desfluoradodomésticoindustrial

Gas naturalGasóleoPropanoQuerosenoElectricidad

10.900 kcal/kg7.200 kcal/kg

9.500 kcal/kg9.500 kcal/kg9.500 kcal/kg

-8.500 kcal/L

11.000 kcal/kg6.500 kcal/L860 kcal/kW

11.800 kcal/kg7.500 kcal/kg

10.000 kcal/kg10.000 kcal/kg10.000 kcal/kg10.000 kcal/kg9.000 kcal/L

11.900 kcal/kg7.000 kcal/L

-

8055

7070708070807092

Combustible- Otros índices: Índice de Wobbe (IW) IW = PCS / ρ1/2

ρ = Densidad relativa del gas respecto al aire seco a misma T y P.Al ser ρ adimensional, el IW tiene a dimensiones del PCS, por lo

que el índice de Wobbe depende de las unidades que se tomen para medir el PCS .

El índice de Wobbe es un parámetro que sirve para determinar la cantidad de energía que fluirá a través de un orificio dado y a una velocidad de gas determinada. Su constancia garantiza el calor que emite el mechero. Con lo que se tendrá:

Caudal de calor (kcal/s) = (IW) (Superficie del orificio) (Velocidad del gas)

Este caudal de calor por unidad de tiempo, transmitido por elfluido portador, se conoce también como “Potencia útil”.

Dos gases que tengan el mismo índice de Wobbe proporcionan el mismo caudal energético, y por tanto son intercambiables.

El índice de Wobbe se indica como superior e inferior según se relacionen con el poder calorífico superior e inferior, respectivamente. Si no se indica nada se considera siempre que se trata del superior.

Existe IW corregido para HC superiores al metano y temperaturas.

Índices de Wobbe para gases combustibles

3.060 3.060 CO

19.106 20.715 GLP (media)

19.728 21.142 1-Buteno

20.247 21.980 i-Butano

20.336 20.066 n-Butano

17.180 18.413 Propeno

17.814 19.376 Propano

14.344 15.253 Etileno

14.931 16.298 Etano

11.452 12.735 Metano

9.714 11.528 Hidrógeno

IW inferior (kcal/Nm3) IW superior (kca/Nm3) Gas

Comburente

• Como comburente se utiliza el oxígeno. Sin embargo, en los procesos de combustión muy raramente se opera con oxígeno puro, siendo lo más corriente utilizar el aire atmosférico.

• El aire atmosférico es una mezcla de gases y vapores en cantidades no estrictamente fijas, sino variables, según el lugar de la atmósfera y el momento considerado, siendo el vapor de agua el componente que varia más ampliamente. No obstante, para simplificar los cálculos se considera el aire como mezcla única de N2 y O2:- En volumen 79% N2 y 21% O2 N2/O2 = 3,76 mol/mol- En peso 76,8% N2 y 23,2% O2 N2/O2 = 3,31 kg/kg

• Existen además otros muchos gases, destacando el CO2 (0,033%) y Ar (0,934%). Sin embargo, las composiciones citadas anteriormente son suficientes en cuanto a precisión, ya que el CO2y el Ar se comportan como el N2 en la combustión; por lo que la expresión molar del aire seco sera: O2 + 3,76 N2.

Productos• Humos

- Gases de combustiónLos gases de combustión más frecuentes son: N2 del aire

comburente, CO2 de la oxidación de C, H2O de la oxidación de H2, O2 del exceso de aire, SO2 de la oxidación de S, CO de la oxidación incompleta de C, H2 de reacciones secundarias en combustión incompleta, NOx, SOx, etc.- PartículasLas partículas en suspensión en los humos son hollín,

inquemados, cenizas volantes, etc. En ciertos casos, cuando la temperatura de los gases de combustión es suficientemente baja pueden formarse condensados ácidos o no, que pueden formar parte de las partículas.

• CenizasResiduos no quemados con bajos contenidos metálicos que ocupan la parte inferior del lecho y es necesario eliminarlas, ya que impiden el paso del aire primario.

• EscoriasResiduos metálicos mas peligrosos que las cenizas sobre todo si funden a bajas temperaturas, ya que se adhieren a las parrillas,paredes e intercambiadores de calor.

Reducción de contaminantes• Reducción de las emisiones de SO2

Se fija con aditivos: caliza (CaCO3) o dolomía (CaCO3.MgCO3)La caliza se calcina a la temperatura de combustión:

CaCO3 + 183 kJ/molg → CaO + CO2

La reacción es favorable sobre los 900ºC. Por encima de 1.300ºC el CaO se compacta y disminuye su reactividad. Después la cal viva reacciona con el SO2 que se forma en el lecho:

CaO + SO2 + 0,5 O2 � CaSO4 + 486 kJ/mol-gEl sulfato cálcico, sólido, se mantiene estable hasta unos 1.200 ºC. La cal se regenera tratando el sulfato por encima de 1.200ºC.El rango de temperatura óptima está entre 815 y 870ºC. El grado de desulfuración es del 90 %. La dolomía también se calcina dando CaO y MgO (inerte). Los principales factores que afectan son:- Reactividad y tamaño de las partículas del sorbente- Relación molar Ca/S- Tiempo de residencia del gas- Temperatura media del lecho- Exceso de aire

Reducción de contaminantes

• Reducción de las emisiones de NOx

Dentro del carbón el NOx puede formarse a partir de sus volátiles o a partir del residuo carbonoso.La táctica más comunes de reducción de NOx es la de crear una atmósfera reductora, al menos en una parte del lecho, que puede hacerse aumentando mucho la altura del lecho, inyectando algún hidrocarburo (CH4) en algún punto del mismo, etc.; de esta manera se produce una combustión parcial del carbono generándose zonas con CO. En presencia de un catalizador de Fe (Fe2O3), que puede estar presente en el propio carbón alimentado se produce la reacción:

CO + NO � CO2 + 0,5 N2

La eficacia y el rendimiento de esta operación dependen de las siguientes variables:- Temperatura del lecho- Exceso de aire- Profundidad del lecho y localización de la alimentación- Contenidos en volátiles del combustible

Llama

• La combinación de un combustible (reductor que se va a oxidar) que puede presentarse en fase líquida, sólida o gaseosa con un comburente (oxidante que se va a reducir) y que en ciertas condiciones genera calor y según la circunstancia, llama.

• Condiciones límites para que se produzca una llama- Relación estequiométricaSolo entre los límites superior e inferior de inflamabilidad.

- Temperatura de la llamaExiste un intervalo de temperaturas de llama.

- PresiónExiste un intervalo de presiones para las llamas (1 mbar abs a

100 bar).- Efecto paredLas paredes de la cámara, e incluso la propia boquilla de salida,

hace que en sus proximidades no se observe llama.

Temperatura adiabática de llama

• Se denomina temperatura teórica de combustión, temperatura adiabática de combustión (llama) o temperatura de combustión calorimetría, a la máxima temperatura alcanzada en una combustión estequiométrica, con mezcla perfectamente homogénea y en un tiempo brevísimo que no dé tiempo a pérdidas caloríficas con el ambiente, y bajo condiciones estándar: 1 atm y 25ºC.

• En la práctica no se alcanza debido a disociaciones de productos (CO2, H2O) e inertes (N2), que absorben parte de la energía. No obstante, la energía absorbida en la disociación se recupera (devuelve) durante el enfriamiento.

• Las llamas más calientes no son las que en teoría corresponden a una mayor liberación de energía, sino a aquellas cuyos productos finales de la combustión son más estables.

• El cálculo de la temperatura adiabática de la llama es de gran interés en la determinación teórica de la temperatura de salida de los productos de la combustión al abandonar el hogar, permitiendo así predecir con más exactitud, teóricamente, el comportamiento de los haces de convección, recalentadores, etc., de una caldera.

• Cuando en el cálculo intervienen las disociaciones (Tadiabática > 1.500°C) éste debe hacerse por aproximaciones suces ivas, lo que resulta largo y complicado, o con el empleo de ábacos especialmente preparados para cada tipo de combustible.

Comparación de algunas temperaturas de llama

Sin disociación

Medido en horno

Sin disociación

2.320

2.045-

1.7351.880

2.1001.880

a1.925

2.630

2.2102.9741.9611.9612.0151.6902.1201.8452.4701.915

a1.980

1,01,01,0-

1,01,01,01,31,01,31,01,01,01,0

151515151515151530030015151515

AireAireAireO2AireAireAireAireAireAireAireAireAireAire

AcetilenoButanoHidrógenoHidrógenoGas naturalGas naturalFuel-oil pesadoFuel-oil pesadoFuel-oil pesadoFuel-oil pesadoMonóxido de carbonoMetanoEtano Propano

ObservacionesTLreal (ºC)

TL teórica

(ºC)

Índice de exceso de

aire (n)

Temperatura(ºC)

ComburenteCombustible

Tipos de llamas y su clasificación

• La modalidad de la mezcla del combustible con el comburente- Llamas de difusiónCuando la mezcla del combustible con el comburente se realiza en

el instante de la combustión.- Llamas de premezclaMezcla previa, parcial o total, de los fluidos a la combustión.

• La velocidad del flujo gaseoso- Laminares- TurbulentasNúmero de Reynolds > 2.500-3.000 � llama corta y con aspecto

de torbellino.• La posición de la llama respecto a la boca del quemador

- Llamas en movimiento 8llamas explosivas libres9- Llamas estacionarias

• El tipo del material en combustiónMás utilizadas las de gases y líquidos, y sólidos pulverizados para calefacción.

Balance de materia

Balance de materia general:combustible + comburente � humos + cenizas + escorias

masa de productos = masa de reactivos

• Base: Combustible/unidad de tiempo• Entorno: Hogar• Unidades: kg o mol-kg• Referencias:

- Temperatura: 25oC- Presión: 1 atm- Agua: Estado líquido- Combustible húmedo- Gases: Comportamiento de gas ideal

Balance de materia

Combustible seco (P Combustible )

Agua en combustible (PH2Ocombustible )

Gases secos (PGasesSecos)

Vapor de agua en gases (PH2Ogases )

Escorias (P Escorias ) Aire seco (PAireRealSeco )

Vapor de agua en aire (PH2Oaire )

HOGAR

Combustible

Aire

Gases

Escorias

Balance de materia

• Reacciones de combustiónC + O2 + 3,76 N2 � CO2(g) + 3,76 N2 - 94 000 kcal/mol-kgH2 + 0,5 O2 + 1,88 N2 � H2O(g) + 1,88 N2 - 57 800 kcal/mol-kgS + O2 + 3,76 N2 � SO2(g) + 3,76 N2 - 70 900 kcal/mol-kg

• Tipos de combustión- Combustión perfecta o neutraEs la que se produce, teóricamente, de acuerdo a cantidades

estequiométricas de combustible y comburente. - Combustión completaEs aquella en la cual todo el carbono del combustible reacciona

con el oxígeno del comburente para dar dióxido de carbono. Para ello se necesita agregar una mayor cantidad de oxígeno (con el comburente) que la requerida de acuerdo a la estequiometría. Dicho exceso (cuando se utiliza aire como comburente), se denomina “exceso de aire”. - Combustión incompletaEs aquella en la que no se quema todo el carbono del combustible

dando dióxido de carbono, sino que reacciona para dar monóxido de carbono y en algunos casos queda C libre incandescente.

Balance de materia

• Materias que entran al sistema+ Combustible

- Combustible seco: PCombustible kg combustible- Agua en el combustible: PH2Ocombustible = PH2O PCombustible kg agua

+ Aire seco para la combustión- Aire mínimo seco para la combustiónConsiderando el combustible compuesto de C, H2, S y O2:Para el C: (32 PC/12) kg de O2 = 2.67 PC kg O2/kg combustiblePara el H2: (16 PH2/2) kg de O2 = 8 PH2 kg O2/kg combustiblePara el S: (32 PS/32) kg de O2 = PS kg O2/kg combustibleTotal:PO2mínimo = (2,67 PC + 8 PH2 + PS - PO2) PCombustible kg O2

PAireMínimoSeco = PO2mínimo/0,232 kg aire secoVAireMínimoSecoCN = PAireMínimoSeco /1,293 m3 aire seco CNVAireMínimoSeco = (PAireMínimoSeco/29) R (273 + 25)/ P m3 aire seco

Balance de materia

• Materias que entran al sistema- Aire seco para la combustión. Relación Aire-Combustible (AC): AC = Masa de aire/Masa de combustible

. Relación Combustible-Aire o dosado (F)F = 1/AC = Masa de combustible/Masa de aire

. Coeficiente de exceso de aire (n):n = Masa de aire real/Masa de aire estequiométricon = PAireRealSeco/PAireMínimoSeco

% exceso de aire = (n - 1) 100Combustible sólido 1.5 - 2.0Combustible líquido 1.1 - 1.2Combustible gaseoso 1.0 - 1.1

- Aire real seco para la combustiónPAireRealSeco = n PAireMínimoSeco kg aire seco

Balance de materia

• Materias que entran al sistema- Vapor de agua en el aire

PH2Oaire = Y PAireRealSeco kg agua- Aire real húmedo para la combustiónPAireRealHúmedo = (PAireRealSeco + PH2Oaire) kg aire húmedoVAireRealHúmedo = [(PAireRealSeco/29) + (PH2Oaire/18)] R (273 + 25)/P m3

aire húmedo • Materias que salen del sistema

- CenizasPCenizas = PIquemados PCombustible kg Cenizas

- EscoriasPEscorias = PInertes PCombustible kg Escorias

- Cenizas y EscoriasPcenizas-Escorias = (PInquemados + PInertes) PCombustible kg Cenizas-Escorias

Balance de materia

• Materias que salen del sistema- Gases de salida. Combustión completaCO2 3,833 PC kg CO2/kg combustibleH2O 8 PH2 kg H2O/kg combustibleSO2 2 PS kg SO2/kg combustibleOxígeno en los gases de salida:PO2Gases = n PO2mínimo - PO2mínimo = (n - 1) PO2mínimo kgO2

Nitrógeno en los gases de salida:PN2Gases = 76.8 n PO2mínimo/23,2 kg N2

Gases secos:PGasesSecos = PCO2 + PSO2 + PO2 + PN2 = (3,833 PC + 2 PS) PCombustible +

+ PO2Gases + PN2Gases kg gas secoVGasesSecosCN = 22,4 [((3,833 PC/12) + (2 PS/32)) PCombustible +

+ PO2Gases/32 + PN2Gases/14] m3 gas seco CNVGasesSecos = {[(3,833 PC/12) + (2 PS/32)] PCombustible +

+ PO2Gases/32 + PN2Gases/28} R (273 + 25)/P m3 gas seco

Balance de materia

• Materias que salen del sistema- Gases de salida. Combustión incompletaInsuficiente cantidad de aire (n < 1)Condiciones de combustión no perfectas (mala mezcla)

C + 1/2 O2 � CO(g) – 26.400 kcal/mol-kgCTotal = a CO2 + (1 - a) COMasa de CO2: PCO2 = a (3,833 PC) kg CO2/kg combustibleMasa de CO: PCO = (1 - a) (3,833 PC) kg CO/kg combustibleOxígeno en los gases de salida:PO2Gases = [(n - 1) (2,67 PC + 8 PH2 + PS - PO2) - 0,5 (1 - a) (2,67 PC)]

PCombustible kg gas secoMasa de gases secos:PGasesSecos = PCO2 + PCO + PSO2 + PO2 + PN2 kg gas seco

Balance de materia

• Materias que salen del sistema- Vapor de agua en los gases

PH2Ogases = PH2Ocombustible + PH2Oaire + 8 PH2 PCombustible kg agua- Gases total húmedos

PGasesTotal = (PGasesSecos + PH2Ogases) kg gases húmedosVGasesTotal = VGasesSecos + [(PH2Ogases/18) R (273 + 25)/P] m3 gases

húmedos

• Balance globalPCombustible + PH2Ocombustible + PAireRealSeco + PH2Oaire = Pcenizas-Escorias + PGasesSecos + PH2Ogases

Diagrama de Bunte(combustión completa)

Diagrama de Ostwald(Combustión completa e incompleta con solo CO)

Diagrama de Keller(combustión incompleta con CO y H2)

Balance de energ ía

Balance de energía general:Energía útil = Energía que entra – Energía que sale

• Base: Combustible/unidad de tiempo• Entorno: Hogar• Unidades: kg, mol-kg, kcal o kJ• Referencias:

- Temperatura: 25oC- Presión: 1 atm- Agua: Estado líquido- Combustible húmedo- Gases: Comportamiento de gas ideal


HOGAR

Combustible

Aire

Gases

Escorias

Potencia calorífica del combustible ( ∆ H Combustible )

Calor sensible del combustible ( ∆ H CombustibleSensible )

Calor sensible del aire seco ( ∆ H AireSecoSensible )

Calor del agua del combustible ( ∆ H H2Ocombustible )

Calor de vaporización del agua del aire ( ∆ H H2Oaire )

Potencia calorífica de la escoria (∆ H Escoria )

Calor sensible de la escoria (∆ H EscoriaSensible )

Calor sensible de los gases secos ( ∆ H GasesSecosSensible )

Potencia calorífica de los gases secos ( ∆ H GasesSecos )

Calor sensible del agua (∆ H H2Ogases )

Pérdidas por Radiación y conducción ( ∆ H RadCond )

Pérdidas por purgas (∆ H Purgas )

Calor para producción de vapor (∆ H Util )

Purgas


• Energía aportada al sistema- Potencia calorífica del combustible

∆HCombustible = (PCS) PCombustible kcal- Calor sensible del combustible

∆HCombustibleSensible = PCombustible CpCombustible (TeCombustible - 25) kcal- Calor del agua que acompaña al combustible ∆HH2OCombustible

. Calor necesario para subir la temperatura de 25 a 100oC:= PH2Ocombustible (1/18) CpH2O (100 - 25) kcal

. Calor necesario para la vaporización del agua:= PH2OCombustible (1/18) CVapor kcal

. Calor necesario para sobrecalentar el vapor de 100oC a TeCombustible:= PH2OCombustible (1/18) CpVapor (TeCombustible - 100) kcal

- Calor sensible del aire seco ∆HAireSecoSensible = PAireRealSeco (1/29) (0,21 CpO2 + 0,79 CpN2) (TeAire - 25) kcal


• Energía aportada al sistema- Calor de vaporización del agua que acompaña al aire seco

. Energía del vapor de agua que acompaña al aire, considerando un estado de agua líquida:

= ∆HVaporAire = PH2Oaire CVapor kcal. Calor necesario para sobrecalentar el vapor de 25oC a TeAire:

= PH2Oaire (1/18) CpVapor (TeAire - 25) kcal• Energía que sale del sistema

- Potencia calorífica de la ceniza∆HCeniza = (PCceniza PInquemados PCombustible /12) 94.000 kcal

- Calor sensible de la ceniza-escoria∆ΗCeniza-EscoriaSensible = PCeniza-Escoria CpCeniza-Escoria (TCeniza-Escoria - 25)

kcal


• Energía que sale del sistema- Potencia calorífica de los gases secosCO + 1/2 O2 � CO2(g) – 67.400 kcal/mol-kgH2 + 1/2 O2 � H2O(g) – 57.800 Kcal/mol-Kg

∆HGasesSecos = PGasesSecos [(COgas 67.400/28) + (H2gas 57.800/2)] kcal- Calor sensible disipado en los gases secos

∆HGasesSecosSensible = PGasesSecos [(CO2gas CpCO2/44) + (COgas CpCO/28) + (O2gas CpO2/32) + (N2gas CpN2/28) + (H2gas CpH2/2) + (SO2gas CpSO2/64)] (TsGases - 25) kcal


• Energía que sale del sistema- Calor disipado con el agua del combustible, aire y formado∆HH2Ogases

. Calor desprendido al bajar la temperatura del vapor de TsGases a 100oC:

= PH2Ogases (1/18) CpVapor (TsGases - 100) kcal. Calor desprendido en la licuación del vapor:= PH2Ogases (1/18) CVapor kcal

. Calor desprendido al pasar la temperatura del agua de 100 a 25oC:

= PH2Ogases (1/18) CpH2O (100 - 25) kcal


• Energía que sale del sistema- Pérdidas por radiación y conducción

∆HRadiaciónConducción = A ∆HCombustible /100 kcal- Pérdidas por purgas

∆HPurgas = PH2OPurga (1/18) CpH2O(TsAgua - 25) kcal

Calor útil ∆HUtil = [∆HCombustible +

∆HCombustibleSensible + ∆HH2Ocombustible

+ ∆HAireSeco + ∆HH2OAire] - [∆HEscoria+ ∆HEscoriaSensible + ∆HGasesSecos + ∆HGasesSecosSensible + ∆HH2Ogases + ∆HRadiaciónConducción + ∆HPurgas]

Máxima carga continua, t vapor/h1 10 100 10002 3

0.1

0.2

0.3

1

10

20

30

% de carga

100 90

8070

6050

4030

Rendimiento de Calderas y Hornos• El rendimiento de una Caldera o de un Horno, η, es la relación entre

la cantidad de calor transmitida al equipo, QE, y la cantidad de calor suministrada por el combustible y el aire, Q; así:

η = 100 (Qv / Q)• Eficiencia entre el 80 y el 90% referido al PCI del combustible:

- Se aprovecha del 80 al 90% del calor de combustión- Se pierde entre el 10 y el 15% de la energía por los gases de combustión- Se pierde una pequeña cantidad (2 a 3%) por transmisión de calor al entorno, inquemados, etc.

• Métodos- Método directo: η = 100 (∆HUtil / PCI PCombustible)- Método indirecto: η = 100 - Σ PPérdidas = 100 – (Pg + Pi + Pr + Pp)Pg = Pérdidas por los gasesPi = Pérdidas por inquemados (sólidos y gaseosos)Pr = Pérdidas por radiaciónPp = Pérdidas por purgas Diagrama de flujos (diagrama de Sankey)

Rendimiento de Calderas y Hornos

• Pérdidas por los humos (Fórmula aproximada de Siegert)Pg = k (Tg - Ta) / (CO2 + CO)

Pg = Pérdidas por calor sensible, en %, del poder calorífico inferior del combustiblek = Constante, denominado coeficiente de Hassenstein, que varía según la clase de combustible:

Para fuelóleo: 0,495 + 0,00693 %CO2

Para gasóleo: 0,515 + 0,0067 %CO2

Para gas natural y GLP: 0,379 + 0,0097 %CO2

Para hulla y antracita: 0,68Para coque: 0,57Para gas manufacturado: 0,50

Tg = Temperatura de los gasesTa = Temperatura del aireCO2 = % en volumen de CO2 contenido en los gases de escape a la temperatura de Tg

CO = % en volumen de CO contenido en los gases de escape a la Temperatura Tg

EQUIPOS PARA LA COMBUSTIÓN

• HogarEl Hogar, o cámara de combustión, es el recinto donde se realiza una combustión; por extensión se incluye en el hogar todos aquellos elementos necesarios para que se produzca la combustión.

• CalderaDispositivo para la recuperación del calor de una combustión (generalmente mediante un circuito de agua-vapor u otro fluido térmico). En general se suele considerar la caldera como la suma del Hogar + intercambiador de calor para la recuperación de calor.

• HornoLugar en donde se calienta un producto (pero en donde no tiene lugar una combustión). El calor en el horno se consigue mediante corriente eléctrica o por calentamiento de paredes calientes o aire previamente calentado.

• Tiro y chimeneaEl Tiro es la depresión existente en el hogar, producida por el movimiento ascendente de los gases de combustión o por medios mecánicos. Mientras que la chimenea, o conducto de exhaustación, es el conducto por el cual los gases de combustión salen a la atmósfera. Por tanto, une el hogar con la atmósfera.

Hogar

• Funciones del Hogar+ Favorecer una buena mezcla comburente-combustible- Tiempo de permanencia ↔ velocidad de circulación- Espacio ↔ dimensiones del hogar. Se producen inquemados (hogares refrigerados). Destrucción del refractario (hogares calientes)� emisión de

partículas- Temperatura- Forma . Distribución del combustible mediante pulverización, parrillas, …. Turbulencia (especial para combustibles líquidos y gaseosos)

+ Evitar pérdidas (escapes, transmisión al exterior, etc.)+ Confinar la llama � relacionado con la seguridad de la instalación+ Contribuir al intercambio térmico para el aprovechamiento de la combustión

Hogar

• Partes del Hogar- Sistema de alimentación de aire- Sistema de alimentación de combustible

Para combustibles sólidos: cintas transportadoras o tornillos sin finPara combustibles sólidos pulverizados: impulsores neumáticosPara combustibles líquidos y gaseosos: bomba o compresor.

- Sistema de almacenamiento de combustible (depósitos y silos)- Sistema de sustentación del combustible (solo sólidos)- Quemador- Paredes. Capa interior de material refractario. Capa exterior de aislante térmico. En ocasiones se incorporan circuitos de refrigeración interiores

- Recipiente para cenizas y escorias o cenicero- Salida de gases hacia la chimenea

Hogar

• Tipos de Hogar- Combustible (Sólido, Líquido y Gaseoso)- Presión interior. Depresión (-100 kPa < P < 0). Ligeramente presurizados (0 < P < 250 kPa). Sobrepresión (250 < P < 1.500 kPa). De combustión intensiva (P > 1.500 kPa)

- Situación. Exterior (delantero e inferior). interior

- Refrigeración interior. Paredes refrigeradas. Paredes no refrigeradas

- Potencia térmica (kW)- Densidad térmica (kJ/m3 h)- Capacidad

Hogares para combustibles sólidos

• Hogares de parrillaSon los hogares más sencillos. El combustible se deposita sobre una rejilla o parrilla, que facilita el paso de aire a través del carbón o biomasa, a causa del tiro provocado por la chimenea, además de permitir evacuar los residuos de la combustión (cenizas y escorias) al cenicero, que se sitúa en la parte inferior.Se produce una estratificación del combustible y productos de combustión en función del distinto grado de oxidación.Existen parrillas fijas y móviles.


• Hogares de carbón pulverizadoSon hogares en los que se proyecta carbón en el seno de una corriente de aire, esto implica:- Molienda del carbón para aumentar la superficie específica de combustión y además facilitar la proyección; cuanto más fina es la molienda más costosa es, pero la proyección es mejor- Velocidad de salida del combustible debe ser mayor que la velocidad de propagación de la llama para evitar su retorno- Potencia de impulsión de aire-combustible; es un gasto adicional pero compensa por los resultados obtenidos.- Utilización de movimiento helicoidal para: aumentar el tiempo de permanencia evitar alcanzar las paredes mayor potencia por volumen de hogarEste tipo de hogar se puede utilizar igualmente para biomasa, con las debidas adaptaciones.


• Combustión en lecho fluidoLa combustión en lecho fluido consiste en realizar la combustión en un combustible sustentado por corrientes de aire, que establecen un equilibrio de fuerzas con el peso del combustible (lecho fluídizado).Es una de las tecnologías de combustión más avanzadas por:- Alta eficiencia térmica (buen aprovechamiento del combustible)- Buenas características medioambientales (eliminación del SO2, bajos NOx y partículas)- Potencialidad de aprovechamiento de combustibles cuya utilización es problemática con otras tecnologías, como carbones con alto contenido en S, biomasa, etc.Principio de funcionamiento del lecho fluido: Se eleva la velocidad del aire comburente hasta que llega un momento en que el combustible en forma de partículas de relativamente pequeño tamaño comienza a levitar (velocidades próximas a 2 m/s).Valores típicos de la fluidización en combustión de carbones:- Tamaños de partículas: 2 mm – 60 mm (el tamaño varía con la Vf)- Alturas de lechos: 0,2 m – 10 m (más común en rangos inferiores)- Velocidades de fluidización: 0,01 – 10 m/s


• Tipos de lecho fluido:- Atmosférico: la presión en el hogar es la atmosférica- Presurizado: La presión en el hogar es superior a la atmosférica

Presión: 8 a 20 atmósferasVmf: 1 - 2 m/s

- Burbujeante: El aire de combustión se impulsa desde abajoA presión atmosféricaVmf: 1 – 2 m/s

- Circulante: Los gases de combustión se recirculanA presión atmosféricaVmf ~ 10 m/s

• Composición del lecho fluidizado:- Carbón (baja proporción ~ 1%)- Sílice como agente fluidizante- Caliza o dolomía como secuestrantes de azufre- Cenizas

Hogares de lecho fluidizado

Burbujeante Circulante

Alimentación

+

Caliza

Cenizas

Cenizas

Aire

Ciclón

Humos

Aprovechamiento

térmico

Hogares de combustibles líquidos y gaseosos

• Los hogares de combustibles líquidos y gaseosos son los más sencillos.

• El combustible llega al quemador a una presión superior a la de utilización, bien porque así procede de la red de suministro (gaseosos) o porque se bombea (líquidos), por lo que es preciso reducirla (reguladores o rampas de combustible) antes de ser introducida en la boquilla del quemador.

• Las boquillas tienen el diámetro preciso para la dosificación del combustible; en el caso de los combustibles líquidos siempre existe un exceso de combustible bombeado, que debe ser retornado al depósito.

• Una soplante o ventilador impulsa el aire necesario para la combustión.

Caldera

• Función de la CalderaCalentar un fluido térmico: Generalmente agua.Otros fluidos térmicos son; Aceites minerales, aceites de origen animal, aceites de síntesis, sales minerales fundidas y metales en estado líquido.El calor producido durante la combustión en el interior del hogar, se distribuye de la forma siguiente:- Calor absorbido por la superficie de intercambio de la calderaQue puede considerarse dividida en. Una superficie expuesta directamente a la llama, que recibe el

calor por radiación de ésta última. Una superficie que se calienta por convección de los gases de

combustión.- Calor residual de los humos

Después de atravesar los intercambiadores anteriores, se pierde al ser evacuados por la chimenea.

Caldera

• Partes- Cámara de combustión y quemador- Intercambiador- Envolvente o carcasa. Cámara de agua (calderas pirotubulares).. Cámara de vapor o calderón. Cámara de alimentación

- Depósitos- Chimenea o conductos de exhaustación- Equipos auxiliares: bombas, valvulería, etc.- Elementos de control y seguridad- Elementos complementarios:. Economizador: Precalienta el agua de alimentación de la caldera

mediante los gases de escape.. Precalentador: Precalienta el aire de combustión (comburente)

también mediante los gases de escape.. Sobrecalentador, recalentador: Sobrecalienta el vapor generado.

Caldera

• Tipos- Respecto a la circulación de los fluidos. Pirotubulares o de tubos de humo. Acuotubulares o de tubos de agua

- Respecto al número de pasos de uno o ambos fluidos: Un paso y varios pasos (dos, tres).- Respecto a la posición de los tubos: Horizontales y Verticales- Respecto a la situación del hogar: Interior, exterior, delantero e inferior- Respecto a la presión del hogar: Tiro natural, presurizadas y equilibradas- Respecto a la circulación del agua (calderas acuotubulares): Circulación natural y circulación forzada- Respecto al material: De fundición, de acero y de diseño especial- Respecto al nivel del fluido: Calderas de nivel definido y calderas sin nivel definido

Calderas pirotubulares

• En las calderas pirotubulares o de tubos de humos los humos circulan por tubos bañados por el fluido térmico.Como ventajas: Son las más extendidas en la industria en aplicaciones de pequeña y mediana potencia, aconsejables para presiones no muy altas (p < 25 bar) y potencias no muy grandes (20.000 kg/h de vapor), en sistemas de calefacción y producción de vapor en sistemas de no muy elevado consumo, en la actualidad son de acero y admiten muy variadas disposiciones (en instalaciones de calefacción eran muy populares las de fundición), utilizan todo tipo de combustibles, poseen gran inercia térmica (gran masa de agua) y su coste inferior a las acuotubulares para presiones bajas.

Calderas acuotubulares (tubos de agua)

• En las calderas acuotubulares o de tubos de agua: el agua circula por tubos, y por el exterior de éstos fluyen los humos.

• Frente a las calderas pirotubulares, presentan las ventajas recíprocas: Prácticamente sin limitación de presión, poca inercia térmica debido a la menor cantidad de fluido almacenado, economía en caso de fluidos caloportadores costosos, etc.

Horno

• Funciones del hornoNo se trata tanto de realizar un aprovechamiento energético de una fuente (aunque se busque la máxima eficiencia) como de:- Realizar un tratamiento térmico de un producto para conseguir un producto final con unas propiedades previamente fijadas en una especificación.- Preparar la carga para su tratamiento en alguna etapa posterior- Mejorar la productividad en alguna etapa posteriorSegún el tipo de producto, el objeto de la aplicación de calor puede ser:- Modificación de las características físicas de la carga.. Calor sensible: Calentamiento de la carga y en su caso

enfriamiento.. Calor latente: Transformaciones de fase (secado, fusión,

evaporación, recristalización,...) - Modificación de las características físico-químicas de la carga.. Sin interacción entre carga y fluido calefactor.. Con interacción carga-gases de combustión y/o fluido calefactor.. Algunos procesos: oxidación, reducción, carburación, etc.

Horno

• Partes del Horno- Precalentador- Hogar o cámara de combustión y quemadoresExteriores (combustible sólido) o interiores (combustible líquido,

gaseoso o pulverizado). Estos últimos utilizando aire precalentado presentan densidades térmicas de 210 a 375 kW/m3, y entre 2.500 y 7.100 kW/m3 si se utilizan regeneradores y recuperadores.- Solera- Cerramientos del horno. Carcasa aislante o paredes. Bóveda o techo del horno: Planas, de arco, semicirculares y

suspendidas.- Ventanas de trabajo- Cimentación- Plataforma- Estructura metálica: Aceros de cromo-níquel.. Juntas Térmicas. Conductos de exhaustación y chimenea

Horno• Tipos de Hornos

- Hornos térmicos. Solera (fija, móvil, de balsa, múltiple, túnel y rotatoria). Crisol. Cuba. Lecho fluidizado

- Hornos eléctricos. Hornos de ResistenciaEl calentamiento puede ser directo, si pasa la corriente eléctrica

por las piezas, o indirecto, cuando éstas se calientan por radiación, convección procedentes de las resistencias en su proximidad.. Horno por Arco EléctricoSe crea un arco entre los electrodos, alcanzando hasta 5.000 °C

en el espacio entre electrodos. Los hay de corriente alterna (monofásicos y trifásicos) y de corriente continua.

. Hornos de InducciónFuncionamiento similar al de un transformador, se lleva la

corriente a lo largo de un primario (una bobina incrustada en lacavidad del horno) y se induce una corriente en el material, que es la carga a calentar.

Tiro y chimenea

• Funciones del Tiro:- Producir la entrada de aire adecuada permitir efectuar y completar la reacción de combustión

Atendiendo a los siguientes parámetros: Cantidad, lugar, tiempo, con turbulencia y temperatura- Evacuar los productos de la combustión

• Función de la Chimenea:Evacuar los productos de la combustión a la atmósfera.Las chimeneas deben estar térmicamente aisladas para:- Que la columna de gases esté a la mayor temperatura posible (para una temperatura de salida del hogar dada), y así favorecer el tiro- Mantener la temperatura de los humos por encima del punto de rocíoEl punto de rocío del ácido sulfúrico es aproximadamente de 140-

160ºC.

Tiro y chimenea

• Tipos de Tiro+ Tiro natural

Este tiro depende, y aumenta, con: La diferencia entre la temperatura ambiente y la temperatura media de los gases de la chimenea, y la altura de la chimenea.+ Tiro artificial

Es más costoso que natural, pero se implanta por: Económico (al reducir la temperatura de salida de los humos y/o evitar altas chimeneas) y Diseño del hogar (tendencia a hogares a mayor presión que la atmosférica (presurizados).

- Forzado- Aspirado- Compensado - Inducido. Por aire ambiente. Por gases de combustión

COGENERACIÓN• Es la producción conjunta de energía mecánica y energía térmica

útil (calorífica aprovechable) en forma de gases o líquidos calientes. Si además se produce frío se denomina trigeneración.

• La ventaja de cogeneración es su mayor eficiencia energética, ya que se aprovecha tanto el calor como la energía mecánica o eléctrica de un único proceso .

• Las ventajas de la cogeneración pueden ser:- Directas. Mejor eficienciaCogeneración 60 - 75%Térmicas de carbón 33 - 37%Térmicas de gas/fuel 37%Centrales de gas de ciclo combinado 56%

. Menores emisiones por kw/h producido

. Costes de generación atractivos

. Mejor eficiencia de transporte- Indirectas. Disminuye las importaciones. Aumenta el nivel tecnológico

COGENERACIÓN

• El proceso de cogeneración tiene un reparto más o menos fijo entre producción eléctrico/mecánica y calor, cercano al 50% para ambas. Como las necesidades de ambas energías pueden variar de forma diferente es frecuente que haya un excedente de alguna de ellas.

• Los sistemas de cogeneración pueden ser de varios tipos: - Sistema con turbina de gas- Sistema con turbina de vapor- Sistema en ciclo combinado

• No hay que confundir las centrales de cogeneración con turbina con las de ciclo combinado, las cuales aparte de utilizar una turbina de gas, el calor de los gases de escape se aprovechan para producirvapor, que moverá una segunda turbina con el fin de maximizar la generación eléctrica, llegando a un rendimiento del 55%.

Cogeneración con turbina de gas

• El combustible se quema en una cámara de combustión, para posteriormente este gas ser introducido en una turbina.

• La turbina es donde la energía del gas se convierte en energía mecánica.

• La energía residual producida puede ser aprovechada, total o parcialmente, para la demanda de calor en el proceso, mediante intercambiador de calor o por generación de vapor.

Compresor Turbina de gas

Cámara de combustión

Energía

eléctrica

Combustible

AguaVapor

Gases

Intercambiador de calor

Cogeneración con turbina de vapor

• La energía mecánica se produce por la expansión de vapor de alta presión en un quemador convencional.

• Genera menos energía eléctrica por unidad de combustible, que con turbina de gas, pero con gran eficiencia.

• Existen dos clases de turbinas, y ambos tipos permiten la extracción de vapor intermedio, haciendo posible obtener vapor en varias condiciones.

Agua

Vapor

Gases

Caldera de alta presión

Combustible

Turbina de vaporEnergía

eléctrica

Vapor de baja presión

Cogeneración con ciclo combinado

• Consiste en la unión de los sistemas de turbina de gas y turbina de baja presión de vapor para la producción de energía eléctrica.

• Los gases gastados en la formación, son utilizados para producir vapor a gran presión en un quemador.

• Este vapor alimenta la turbina de vapor, produciendo vapor a baja presión para uso directo en el proceso.

• La principal ventaja de este sistema es la gran eficacia de producción de energía eléctrica, es posible la creación de energía eléctrica de 3,5 MW.

SISTEMA ENTRADAS PROCESO SALIDAS SISTEMAS DE UTILIZACION

Turbina de gas

Combustible (100 unidades) Aire

Turbina de gas

Pérdidas por radiación (1-5 unidades)

Energía mecánica (20-25 unidades)

Energía calorífica (70-75 unidades)

Generación eléctrica Accionamientos mecánicos (20-25 unidades)

Procesos de secado Producción de vapor Hornos de alta temperatura (70-75 unidades)

Turbina de vapor

Combustible (100 unidades) Aire Agua


Pérdidas por radiación (1-3 unidades) Pérdidas en gases (10 unidades)

Energía mecánica 13-17 unidades)




Turbina de vapor


Turbina de gas

Pérdidas por radiación (1-3 unidades)

Energía mecánica (20-25 unidades)



Pérdidas por radiación (1-2 unidades) Pérdidas en gases (12 unidades)

Energía mecánica 15-22 unidades)




Turbina de vapor


Ciclo combinado

EFICACIA

95%

88%

84%

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