INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESIME CULHUACAN.

PRODUCTOS DE LA COMBUSTION EQUIPO:G

GRUPO: 9MV4

MATERIA: GENERADORES DE VAPOR

PROFESOR: JORGE A. SANCHEZ RAMOS

FECHA: 17/NOVIEMBRE/2014

TURNO: VESPERTINO

INDICE Introduccion ...................................................................................................................................................... 1

Unidades de Medicion ........................................................................................................................................ 2 Componenetes de los gases de combustion ...................................................................................................... 4 Parametros medidos directamente ..................................................................................................................... 9 Parametros Calculados ..................................................................................................................................... 11 Cuestionario ...................................................................................................................................................... 16 Respuestas ....................................................................................................................................................... 17 BIBLIOGRAFIA ................................................................................................................................................. 18

PRODUCTOS DE

LA COMBUSTION

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INTRODUCCION

La contaminacin atmosfrica es la presencia en la atmsfera (exterior o interior)

de uno o ms contaminantes o combinaciones de estos en concentraciones y

durante perodos tales que pueden ser o tender a ser dainos a la salud o al

bienestar humano, la vida de los animales o las plantas y los bienes materiales, o

que interfiere de forma no razonable en el disfrute de la vida o los bienes.

Una de las causas principales de la contaminacin del aire es la combustin; sin

embargo, la combustin es esencial para la vida, tal y como la conocemos.

La combustin terica o perfecta se producira si el carbono del combustible se

combinara con el oxgeno del aire para producir calor, luz, dixido de carbono y

vapor de agua.

Sin embargo, la presencia de impurezas en el combustible, la pobre relacin

combustible-aire o la existencia de temperaturas de combustin demasiado altas o

bajas provocan la formacin de otros productos, tales como monxido de carbono,

xidos de azufre, xidos de nitrgeno, cenizas volantes e hidrocarburos no

quemados.

Todos estos productos son contaminantes del aire.

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1. Unidades de medicin

La presencia de contaminantes en los gases de combustin puede detectarse a

partir de la concentracin de los componentes del gas. Generalmente, se utilizan

las siguientes unidades:

ppm (partes por milln)

Como el tanto por ciento (%) ppm describe una proporcin. Por ciento significa

un nmero x de partes de cada cien, mientras que ppm significa un nmero x de

partes en cada milln. Por ejemplo, si en un cilindro de gas hay 250 ppm de

monxido de carbono (CO), entonces, si partimos de un milln de partculas de

gas, 250 son de monxido de carbono. Las otras 999.750 partculas son de

nitrgeno (N2) y de oxgeno (02). La unidad ppm es independiente de la presin y

la temperatura, y se utiliza en concentraciones bajas. Si la concentracin presente

es elevada, se expresa en porcentaje (%). La conversin es la siguiente:

10 000 ppm = 1 %

1 000 ppm = 0,1 %

100 ppm = 0,01 %

10 ppm = 0,001 %

1 ppm = 0,0001 %

Unidades de medida ppm

Una concentracin de oxgeno del 21% es equivalente a una concentracin de

210.000 ppm de O2.

mg/Nm3 (miligramos por metro cbico)

Con la unidad mg/Nm3, el volumen normal (normal metros cbicos, Nm3) se toma

como una variable de referencia y la masa del gas que poluciona se indica en

miligramos (mg). Como esta unidad varia con la presin y la temperatura, se toma

como referencia el volumen en condiciones normales.

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Las condiciones normales son como sigue:

Temperatura: 0C

Presin: 1013 mbar (hPa)

De todas formas, esta informacin por s sola no es suficiente, ya que los

volmenes respectivos en los gases de la combustin varan segn la proporcin

de oxgeno. Por tanto, los valores respectivos medidos deben convertirse a un

volumen particular de oxgeno, el contenido de oxgeno de referencia (O2

referencia). Slo los datos con el mismo contenido en oxgeno de referencia

pueden ser comparados. La medida del contenido de oxgeno (O2) en los gases

de combustin tambin es necesaria para convertir ppm en mg/Nm3. A

continuacin se indican las conversiones para monxido de carbono (CO), xido

de nitrgeno (NOx) y dixido de azufre (SO2).

Conversiones a mg/Nm3

Los factores en las frmulas corresponden a la densidad estndar de los gases en

mg/m3.

mg/kWh (miligramos por kilovatio hora de energa)

Los clculos se han realizado con los datos especficos del combustible con el fin

de determinar las concentraciones de gas que polucionan con una unidad

relacionada a la energa mg/kWh. Por tanto hay diferentes factores de conversin

para cada combustible. Abajo se muestran los factores de conversin de ppm y

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mg/m3 a unidad relacionada con la energa mg/kWh. Antes de convertir a

mg/kWh, los valores medidos en concentraciones de emisin deben primero

convertirse en gases de combustin no diluidos (0% de oxgeno de referencia).

Los factores de conversin para los combustibles slidos tambin dependen de la

forma en que estos estn disponibles (en una pieza, como gravilla, polvo,

fragmento, etc.). Por ello los factores deben chequearse cuidadosamente.

Factores de conversin para las unidades relacionadas a la energa

Los factores de las frmulas corresponden a la densidad estndar de los gases en

mg/m3.

2. Componentes de los gases de combustin

A continuacin se listan los principales componentes que intervienen en una

combustin:

Los componentes de los gases de combustin se listan a continuacin ordenados

segn la concentracin en el gas.

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Nitrgeno (N2)

El nitrgeno (N2) es el principal componente (79% en vol.) del aire que

respiramos. Este gas incoloro, inodoro y sin sabor no interviene en la combustin.

Entra en la caldera como un lastre, se calienta y sale por la chimenea.

Valores tpicos en el aire ambiente:

Calderas gasoil/gas: 78 % 80 %

Dixido de carbono (CO2)

El dixido de carbono es un gas incoloro e inodoro con un ligero sabor agrio. Bajo

la influencia de la luz solar y el verde de las hojas, la clorofila, las plantas

convierten el dixido de carbono (CO2) en oxgeno (O2). La respiracin humana y

animal convierte el oxgeno (O2) otra vez en dixido de carbono (CO2). Esto crea

un equilibrio que los productos gaseosos de la combustin distorsionan. Esta

distorsin acelera el efecto invernadero.

El valor lmite de efecto al ser humano es de 5000 ppm. A concentraciones

superiores al 15% en volumen (150.000 ppm) en la respiracin, se produce una

inmediata prdida de consciencia.

Valores tpicos en los gases de combustin:

Calderas de gasoil: 11 % 14 %

Calderas de gas: 5 % 10 %

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Vapor de agua (humedad)

El hidrgeno contenido en el combustible se combina con el oxgeno para formar

agua (H2O). Este agua sale del combustible y del aire combustionado,

dependiendo de la temperatura de los gases de combustin (TH), en forma de

humedad del gas de combustin (a una temperatura de los gases de combustin

TH elevada) o como condensado (a una baja temperatura de los gases de

combustin).

Oxgeno (O2)

El oxgeno restante no utilizado en la combustin. En el caso de utilizar aire en

exceso aparece como componente de los gases de combustin y se utiliza para

medir el rendimiento de la combustin.

La concentracin de O2 Se utiliza para determinar las prdidas por chimenea y el

contenido de dixido de carbono.

Valores tpicos en los gases de combustin:

Calderas de gasoil: 2% 8%

Calderas de gas: 2% 9%

Monxido de carbono (CO)

El monxido de carbono es un gas venenoso al respirar, incoloro, inodoro y es el

producto de una combustin incompleta. En concentraciones demasiado altas, no

permite que la sangre absorba oxgeno. Si, por ejemplo, el aire de una habitacin

es de 700 ppm de CO, una persona respirando durante 3 horas morira. El valor

lmite del CO en el ambiente es de 50 ppm.

Valores tpicos en los gases de combustin:

Calderas de biomasa 40 ppm 200 ppm

Calderas de gasoil: 40 ppm 150 ppm

Calderas de gas: 30 ppm 100 ppm

xidos de nitrgeno (NO y NO2, suman NOX)

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A altas temperaturas en procesos de combustin, el nitrgeno (N2) presente en el

combustible y en el aire de combustin se combina con el oxgeno del aire (O2) y

forma el monxido de nitrgeno (NO). Despus de algn tiempo, este gas incoloro

se oxida en combinacin con el oxgeno (O2) para formar dixido de nitrgeno

(NO2). El NO2 es soluble en agua, txico si se respira (produce daos

irreversibles en el pulmn) y contribuye a la formacin del ozono en combinacin

con la radiacin ultravioleta (luz solar). El NO y NO2 en conjunto se llaman xidos

de nitrgeno (NOX). Se utilizan diferentes tecnologas para limpiar los gases de

combustin de NOx, por ejemplo el proceso de la Reaccin Selectiva Cataltica

(Selective Catalytic Reaction (SOR)). Adems se han desarrollado medidas

especiales (suministro de aire por estadios), para reducir la formacin de xidos

nitrgenos durante el proceso de combustin.

Valores tpicos en los gases de combustin:

Calderas de gasoil/gas: 20 ppm 100 ppm

Dixido de azufre (SO2)

El dixido de azufre (SO2) es un gas txico incoloro con un olor muy fuerte. Se

forma a partir de la oxidacin del azufre que est presente en el combustible. El

valor lmite en el lugar de trabajo es de 5 ppm. Junto con agua o condensados

forma el cido sulfuroso (H2SO3) y el cido sulfrico (H2SO4), ambos son muy

dainos por ejemplo en la naturaleza y en edificios (lluvia cida). Se utilizan

filtros/depuradoras para limpiar los gases de combustin de xidos de azufre.

Valores tpicos en los gases de combustin:

Calderas de gas: 0 ppm

Calderas de gasoil: 0 ppm 5 ppm

Sulfuro de hidrgeno

El sulfuro de hidrgeno es un gas txico, incoloro en concentraciones muy bajas

(aprox. 2,5 lg/m3) tiene un olor muy fuerte y caracterstico. Es un componente del

crudo del petrleo y del gas natural y por tanto est presente en refineras y

plantas de Gas natural pero tambin se genera durante otros procesos industriales

y, como producto de una combustin incompleta, en el catalizador de vehculos de

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motor. El H2S se elimina de los gases de escape por conversin a SO2 a travs

de procesos de absorcin o, en grandes cantidades, con una reaccin de sulfuro

elemental (proceso Claus)

Hidrocarburos inquemados (CxHy o HC)

Los hidrocarburos son un amplio grupo de compuestos qumicos compuestos a

partir de enlaces de hidrgeno y carbono. Los HC son la base de la qumica

orgnica; en la naturaleza se encuentran en el crudo de petrleo, gas natural y

carbn. Las emisiones tienen lugar durante la produccin de productos

hidrocarbonados (ej. En refineras) as como durante su uso y quemado. Otros

ejemplos son disolventes, plsticos, barnices, combustibles de vehculos etc. Las

fuentes de emisin de HC tambin se forman debido a un proceso de combustin

incompleta. Las emisiones de hidrocarburos tambin contribuyen al efecto

invernadero.

Los hidrocarburos incluyen miles de componentes, metano (CH4), propano

(C3H8), butano (C4H10), benzeno (C6H6), acetileno (C2H2), etc y tambin

componentes cancergenos como el benzopireno. La cantidad total de

hidrocarburos voltiles en un gas de combustin normalmente se describe como

hidrocarburo total. Normalmente en el control de emisiones se especifica y mide

el valor del hidrocarburo total.

Valores tpicos en los gases de combustin:

Calderas de gasoil: < 50 ppm

Holln

El holln es carbono puro (C) resultante de una combustin incompleta.

Valor tpico en los gases de combustin:

Calderas de gasoil: Nmero de opacidad debe ser inferior o igual a 1 en la escala

de Bacharach

Calderas de biomasa: Nmero de opacidad debe ser inferior o igual a 2 en la

escala de Bacharach

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Partculas slidas

Las partculas slidas (polvo) es el nombre que se da a pequeas partculas

slidas distribuidas en el aire. Esto puede ocurrir en cualquier forma y densidad.

Se forman a partir de las cenizas y de los minerales que componen los

combustibles slidos.

Composicin del combustible

El combustible est compuesto bsicamente por carbono (C) e hidrgeno (H2).

Cuando estas sustancias se queman con aire, se consume oxgeno (O2). Este

proceso se llama oxidacin. Los elementos de la combustin del aire y del

combustible forman nuevos enlaces formndose nuevos compuestos.

3. Parmetros medidos directamente por un Analizador de los Productos de

la Combustin

Concentracin de los gases medidos

Segn el tipo de analizador y su configuracin mediremos las concentraciones de

diferentes tipos de gases. Un gas que es obligado medir en un analizador de los

Productos de la combustin es el Oxgeno (O2), ya que a partir de l se calcularan

muchos otros parmetros de relevante importancia.

Temperatura ambiente (TA)

La temperatura ambiente se mide de forma distinta dependiendo del sistema de la

caldera:

- Calderas de tiro natural: La temperatura se mide en el ambiente de la sala en la

cual se encuentra la caldera.

- Calderas de tiro forzado: La temperatura se mide en la entrada de aire situada en

el conducto de salida de los productos de la combustin, justo cuando el aire se ha

calentado con el calor desprendido por los productos de la combustin, ver

imagen:

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Temperatura de gases de combustin (TH)

La temperatura de los gases de combustin se mide en el lugar ms caliente de la

corriente de los gases, justo en el centro de la salida de los productos de la

combustin. En este punto coincide que la temperatura y la concentracin de

dixido de carbono (CO2) tienen su concentracin mxima y el contenido de

oxgeno (O2) su concentracin mnima.

Tiro

En calderas de tiro natural, el tiro es la condicin bsica para que los gases de

combustin salgan por la chimenea. Debido a que la densidad de los gases

residuales calientes es menor que la del aire fro externo, en la chimenea se crea

un vaco parcial. Esto se conoce como tiro. El tiro succiona el aire de la

combustin y supera cualquier resistencia de la caldera o del tubo de gas. En

calderas presurizadas, el ratio de presin en la chimenea puede despreciarse ya

que en este caso el tiro forzado crea la presin necesaria para eliminar los gases

residuales. En instalaciones de este tipo pueden utilizarse chimeneas con un

dimetro de tubera menor.

Valor tpico del tiro de chimenea:

Quemador de gasoil o caldera atmosfrica de gas: presin negativa entre 0,03 y

0,4 hPa (mbar)

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4. Parmetros calculados por un Analizador de los Productos de la

Combustin

Prdidas por chimenea (qA)

Las perdidas por chimenea son la diferencia entre el nivel de calor del gas de

salida y el nivel de calor del aire ambiente en relacin con el valor del poder

calorfico inferior del fuel. Despus de determinar el contenido en oxgeno y la

diferencia entre la temperatura ambiente y la de los gases de la combustin, se

pueden calcular los factores especficos del combustible para el clculo de las

prdidas por chimenea. En el lugar del contenido de oxgeno, se puede utilizar la

concentracin de dixido de carbono (CO2) para su clculo. La temperatura de los

gases de la combustin (TH) y el contenido de oxgeno o el contenido de dixido

de carbono (CO2) deben medirse simultneamente en un nico punto.

El ahorro conseguido mediante un ajuste ptimo del sistema de calefaccin

basado en los clculos de las prdidas por chimeneas es obvio:

prdidas por chimeneas del 1% = consumo de combustible adicional del 1%

Prdida energtica / ao = Prdidas por chimeneas x consumo de

combustible/ao

El siguiente ejemplo ayudar a clarificar esto:

Prdidas por chimenea calculadas = 10 %

Consumo de combustible / ao = 3000 L fueloil ligero

La prdida energtica corresponde aproximadamente a 300 L de fueloil ligero /

ao.

Las frmulas para el clculo del exceso de aire son las siguientes, en funcin de

los valores que se dispongan:

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Frmula de Siegert, se utiliza cuando los factores especficos del combustible, A2

o B son cero.

Concentracin de dixido de carbono (CO2)

El contenido de dixido de carbono de los gases de la combustin da una

indicacin del rendimiento de la caldera. Si la proporcin de CO2 es tan elevada

como sea posible con un ligero exceso de aire (combustin completa), las

prdidas por chimenea son menores. Para cada combustible hay un contenido en

los gases de CO2 mximo (CO2 mx) determinado por la composicin qumica del

combustible y que en la prctica no es posible alcanzar.

CO2 mx valores para distintos combustibles:

Para calcular los valores de CO2 utilizan los valores de CO2 mx y el contenido de

oxgeno de los gases de combustin. En el caso de no conocer la composicin de

un combustible, la concentracin de CO2 debe medirse.

Exceso de aire

El oxgeno necesario para la combustin se suministra a la caldera a travs del

aire ambiente. Para conseguir una combustin completa, la combustin necesita

disponer de exceso de aire respecto al tericamente necesario. El ratio del exceso

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de aire de combustin para el aire tericamente necesario se llama exceso de aire

(Lambda).

La proporcin de aire se determina a partir de la concentracin de CO, CO2 y O2.

Estas relaciones se muestran en el diagrama de combustin. Durante la

combustin, el nivel de CO2 se relaciona con un nivel de CO (con defecto de

aire/1)

Dado que el valor de CO2 presenta un mximo, no est claro en s mismo, de

modo que resulta necesaria una medicin de CO o de O2.

En los casos en los que se opere con exceso de aire (la manera ms usual de

operar), es preferible la determinacin del O2. Existe un diagrama especfico para

cada combustible y un valor especfico para el CO2 mx.

Diagrama de combustin:

Diagrama de la combustin

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Frmulas para el clculo del exceso de aire:

Valores tpicos:

Calderas de gas de tiro natural: 1,5 3

Calderas de gas de tiro forzado: 1,3 2

Rendimiento

Se calcula a partir de las partir de las prdidas por chimenea (qA), las prdidas por

inquemados (qi) y las prdidas por radiacin (qR), de acuerdo con la siguiente

frmula:

REN= 100 qA qi qR

CO-Corregido

Medicin de CO exento de aire y vapor de agua. Es el valor de CO establecido

por la normativa UNE 60670-10

Nota: COcorregido = CO no diluido

Temperatura del punto de roco

El punto de roco de un gas es la temperatura a la que el vapor de agua contenido

en el gas cambia al estado lquido. Este cambio se denomina condensacin y el

lquido formado es el condensado. Por debajo de la temperatura del punto de roco

la humedad est presente como lquido y por encima del punto de roco como gas.

Un ejemplo es la formacin y desaparicin de la niebla o roco dependiendo de la

temperatura. La temperatura del punto de roco se determina a partir del grado de

humedad: el punto de roco del aire con un grado de humedad del 30% es de

aproximadamente 70 C, mientras que el aire seco con un grado de humedad de

tan slo el 5% tiene un punto de roco de 35 C.

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Grado de humedad del aire dependiendo del punto de roco (presin del aire: 1013

mbar)

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CUESTIONARIO

1. Qu unidades de medicin utilizamos para gases de combustin?

2. Cules son los productos de los gases de combustin?

3. Cules son los valores tpicos del N2 en calderas de gas?

4. Cules son los valores tpicos del CO2 en calderas de gas?

5. Cules son los valores tpicos del 02 en calderas de gas?

6. Cules son los valores tpicos del CO en calderas de gas?

7. Cules son los valores tpicos del SO2 en calderas de gas?

8. Cules son los parmetros que se pueden medir directamente?

9. Cules son los parmetros calculados?

10. Qu son las perdidas por chimenea?

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RESPUESTAS

1. ppm (partes por milln)

2. N2,C02,02,CO,S02

3. 78%,80%

4. 5%,10%

5. 2%,8%

6. 30PPM-100PPM

7. 0PPM

8. Concentracin de gases medidos, Temperatura gases de combustin, tiro

de chimenea

9. Perdidas por chimenea, exceso de aire, temperatura punto de rocio

10. Las prdidas por chimenea son la diferencia entre el nivel de calor del gas

de salida y el nivel de calor del aire ambiente en relacin con el valor del

poder calorfico inferior del fuel

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BIBLIOGRAFIA

Autor: Manuel Pla Duporte; Efectos de los gases producto de la combustin en

los generadores de vapor pdf; 2004

Manual del generador de vapor pdf

(http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/lim/bonilla_m_jc/apendiceF.pdf)

Secretaria de energa; Metodologas para la cuantificacin de emisiones de gases

de CO, CO2 pdf; 2009

(http://www.sener.gob.mx/res/Acerca_de/MetodologiasCuantificacionEmisionesGa

sesEfectoInvernaderoConsumosEnergeticos.pdf)