Fundamentos de la Combustión Laboratorio de Procesos Ambientales; Departamento de Ingeniería Química Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas Universidad de Chile Fundamentos de la Combustión Leandro Herrera, Ph.D. Wales 22 y 23 de Junio 2004 Santiago de Chile

Energía en el Planeta Tierra Bajo costo económico de la Energía  Alta disponibilidad de Fuentes de Energía Crecimiento económico (industrias; población)  Mayor consumo de energía;  Mas productos colaterales (gases; calor; etc)  Eventual limitación de las fuentes;  Mayor costo de la Energía;  Limitación de proyectos por falta de energía.

Fuentes de Energía del Planeta El planeta Tierra dispone de una sola fuente de energía: el sol Exceptuando la energía nuclear y la del calor propio del centro de la tierra, tanto las fuentes de energía clásicas como las “alternativas” provienen de la energía que se recibe del sol (que es, a su ves, una reacción nuclear).

Energías típicas de la industria(*) Carbón: Biomasa vegetal fosilizada Petróleo: Productos de fermentación de orgánicos Gas Natural: Productos de fermentación de orgánicos ... Por ende: Provienen todas del sol

Energías Alternativas Algunas formas del sol y otras no - solares Hidroeléctrica (ciclo del agua por evaporación solar) Luz solar y calor Vientos (diferencias de temperatura en sectores del planeta) Mareas (atracción gravitacional de la luna) Geotérmica (calor remanente en el centro de la tierra primigenia) Seguramente veremos pronto aparecer el hidrógeno gaseoso como una forma común de energía transportable y/o para acopio de energía cíclica

Fuente clásica: BIOMASA La vida en el planeta Tierra se basa en el carbono La combustión (química o por llama) de orgánicos produce CO2 Los autótrofos sintetizan orgánicos usando CO2, luz o sales Hay un ciclaje permanente de carbono en el planeta Se dice que fotoautótrofos “fijan” carbono

Fotosíntesis 6CO2 + 6H2O  C6H12O6 + 6O2 Síntesis de azúcares, que luego constituyen el soporte estructural y las moléculas nece- sarias para la vida. 6 moléculas de dióxido de carbono + 6 moléculas de agua dan origen a 1 molécula de azúcar + 6 moléculas de oxígeno ¿Combustión al revés?

Combustibles Fósiles Así visto, la humanidad encontró un gran acopio de biomasa procesada hasta la forma de combustibles (600 millones de años de ahorro de energía solar como biomasa) La combustión es la reacción inversa de la foto síntesis, por ende recupera la energía de la molécula en la forma de calor. El gasto de esta “cuenta de ahorro” ha sido rápido Enfoque SUSTENTABLE

Crisis energética 1970(*) Reunión de presidentes Analizan que el petróleo se terminará (antes del año 2000) ¿Por qué falló la predicción? ¿Qué hemos hecho al respecto? Optimización de procesos energéticos (p.e. Automovil de 4 a 20 Km/L) Optimización debe continuar, al tiempo que se utilicen nuevas fuentes (no sólo energía...)

Ecología y economía Dali; subsistema económico en el sistema ecológico de escala planetaria: Crecimiento tiene límites naturales Fotosintetizadores Fermentadores Bacterias y otros

Sustentabilidad en los años 90 Se asemeja al control de calidad de los 80 Resistencia y desconocimiento inicial Objetivos parecían quimeras (sin defectos / Sin emisiones) y luego fueron normas operacionales comunes Grandes innovaciones en procesos y productos (no sólo cumplir con las exigencias) Ambos objetivos exigen trabajadores mas comprometidos, entrenados y educados (formación contínua) El personal tiene mas responsabilidades

Combustibles se combustionan Para continuar el legado de la optimización, aplicado a calderas, es necesario comprender un sinnúmero de aspectos, entre los que los principios de combustión conforman la base para comprender e innovar hacia aspectos operacionales concretos

Energía transportable = Vapor Si falta energía cinética, generar energía eléctrica generación de vapor Energía química por combustión y transferencia de calor genera vapor de agua Vapor acciona la turbina de un generador eléctrico, convirtiendo finalmente la energía del combustible en energía eléctrica

Combustión proceso químico: oxidación con oxígeno libera importantes cantidades de energía mezclas gaseosas: combustión procede como: una onda que se propaga a partir de un punto localizado de ignición o puede ocurrir casi simultáneamente en toda la mezcla

mecanismo de reacción reacciones en cadena por radicales libres reacciones elementales de iniciación de la cadena, reacciones de propagación y reacciones de terminación. Las reacciones elementales pueden ser: unimoleculares (participa una sola molécula), bimoleculares (con participación de 2 moléculas típicamente una colisión doble) y trimoleculares (participan 3 moleculas o 2 moléculas y la pared del reactor o una superficie)

p.e. Combustión de hidrógeno ½ O2 + H2 = H2O H + O2 OH + O O + H2 OH + H H + O2 + M HO2 + M

p.e. METANO OH + CH4 = H2O + CH3 CH3 + O2 HCHO + OH F(1) + O2 CHOO + OH ( o CHO + HO2 ) CHO + O2 + F(1) HCOOOH + CHO (1): Formaldehído, HCHO

Explosión controlada Podemos decir que la combustión tiene lugar cuando las reacciones de oxidación se realizan en condiciones de alta velocidad (explosión controlada) hasta completarse el el reactivo desde el punto de vista estequiométrico (concentración oxígeno, temperatura, tiempo, etc)

Reactantes y mezcla El proceso de combustión es realizado de manera práctica por mezclado de combustibles y aire a elevadas temperaturas El oxígeno del aire puede reaccionar químicamente con: el carbón, el hidrógeno y otros elementos presentes en menor cantidad en el combustible para producir calor

Principios fundamentales de Operación Suministro de Aire Mezcla Combustible / Aire Temperatura (de Ignición; de Combustión) Tiempo de Reacción Combustible específico: Carbón Petróleos gas

Control del suministro de aire La cantidad de aire: según combustible, equipamiento y condiciones de operación Es recomendado por el fabricante y por pruebas reales en operación Exceso de aire  descarga gases excesivamente calientes a la chimenea (pérdida de calor) Deficiencia en aire  parte del combustible no se quema (o parcialmente) y pasa a través del hogar Es muy importante determinar y mantener la mejor relación aire/combustible para lograr la máxima eficiencia

Mezcla del aire y el combustible El aire y el combustible deben mezclarse perfectamente: contacto íntimo entre el oxígeno y el combustible de tal manera que en la combustión reaccione todo el combustible Si la mezcla de aire es pobre, habrá un exceso de aire en alguna parte del lecho o de la cámara de combustión y una deficiencia en otra

Temperatura y combustión Un combustible y su dosis de aire pueden estar en íntimo contacto y no haber combustión Reacción química lenta, denominada oxidación y no combustión Cuando el combustible alcanza su temperatura de ignición, la oxidación se acelera y tenemos entonces la combustión Se debe mantener la mezcla a la temperatura adecuada (alta) para promover la combustión

Temperatura de llama (cont) Cuando la llama se pone en contacto con los tubos o el manto de la caldera -relativamente mas fríos- se depositan partículas carbonosas en la forma de hollín Cuando las calderas se operan a baja velocidad de aire/combustible, las temperaturas son bajas resultando en combustión incompleta y excesivo humo

Tiempo para la combustión Suministro de aire, mezclado y temperatura determinan la velocidad a la cual la combustión progresa Se requiere un tiempo apreciable para completar el proceso Si se opera a una velocidad de alimentación excesivamente alta, el tiempo puede ser insuficiente Como consecuencia se descargará combustible no quemado desde la caldera Las pérdidas de combustible (sólido o gaseoso) pueden ser apreciables y deben ser controladas.

Biomasa combustible (carbón) H C N O KJoule/kg Leña - 6,25 49,50 1,10 43,15 13.455 Turba 0,64 8,33 21,03 62,91 8.318 Lignito 6,60 42,40 0,57 42,13 16.448 subbituminoso 0,36 6,14 55,28 1,07 33,90 21.749 Bituminoso 0,95 5,24 78,00 1,23 7,47 32.291 semibituminoso 2,26 4,14 79,97 1,26 4,18 32.663 semiantracita 0,63 3,58 78,43 1,00 4,86 30.522 Antracita 0,89 1,89 84,36 4,40 30.848

Poder calorífico superior (Kjoule/kg) Combustibles típicos Combustible Poder calorífico superior (Kjoule/kg) Carbón 26.500 Petróleo crudo (pesado gravedad específica 1,0) 37.122 Petróleo diesel 48.057 Gasolina 53.022 Gas natural 53.561 Leña pino (seca) 20.863 Hidrógeno 141.748

Fuel oil comerciales Fuel-oil Nº Designación º API Poder calorífico superior KJoule/lt 1 Doméstico liviano 38-40 37.691 2 Doméstico medio 34-36 38.381 3 Doméstico pesado 28-32 39.075 4 Industrial liviano 24-26 40.187 5 Industrial Medio 18-22 40.600 6 Industrial pesado 14-16 41.014

Temperaturas de ignición (en aire; P atm); T de autosustentación de llama Combustible Fórmula Temperatura, ºC Azufre S 243,3 Carbón vegetal C 343,3 Carbón bituminoso 407,2 Carbón semibituminoso 465,5 Antracita 448,8-601,6 Acetileno C2 H2 304,4-440,5

Temperatura Ignición (Cont) Etano C2 H6 471,1-629,4 Etileno C2 H4 482,2-548,8 Hidrógeno H2 573,8-590,5 Metano CH4 632,2-748,8 Monóxido de carbono CO 610-657,2 Kerosene - 254,4-293,3 bencina 260-426,6

Gas Natural El gas natural se considera como el combustible mas deseable para la generación de vapor Generalmente se distribuye por gasoducto (desde estaciones productoras a las unidades de los consumidores) sin necesidad de almacenamiento Esta libre de cenizas y se mezcla íntimamente con aire para producir una combustión completa con un bajo exceso de aire sin producir humo

Cantidad de H en gas natural Aunque el contenido total de hidrógeno del gas natural es alto, la cantidad de hidrógeno libre es baja Debido a esta característica, el gas natural no se quema tan fácilmente como algunos gases provenientes de procesos de transformación (de carbón o de refinación de petróleo) que poseen altos contenidos de hidrógeno libre

Composición gas Natural Pennsylvania Ohio Oklahoma H2 Hidrógeno - 1,82 CH4 Metano 83,4 93,33 84,10 C2 H4 Etileno 0,25 C2 H6 Etano 15,80 6,70 CO 0,45 CO2 0,22 0,80 N2 Nitrógeno 3,40 8,40 O 2 Oxígeno 0,35

Gas natural; composición elemental S Azufre - 0,34 H2 Hidrógeno 22,53 23,20 20,85 C Carbono 75,25 69,12 64,84 N2 Nitrógeno 1,22 5,76 12,90 O2 Oxígeno 1,58 1,41 Densidad (R aire) 0,636 0,567 0,630 Kcal/kg 12.859 12.252 11.189

Cálculos de combustión; fracción molar Componente % Volumen % peso Oxígeno 20,99 23,15 Nitrógeno 78,03 76,85 Inertes (Argón, Neón, He) 0,98 -

Datos base de cálculos = Peso molecular equivalente del aire 29   % Humedad del aire 1,3 % en peso (estándar industria de calderas) Moles aire/mol de oxígeno m3 aire / m3 de oxígeno 4,76 Moles nitrógeno / mol de oxígeno m3 nitrógeno / m3 de oxígeno 3,76 Kg aire (seco)/kg de O2 100 / 23,15 4,32 Kg Nitrógeno/kg de O2 76,85 / 23,15 3,32

Síntesis de cálculos típicos Substancia Kg de Oxígeno por kg combustible Nitrógeno Aire Carbono 2,664 8,863 11,527 Hidrógeno 7,937 26,407 34,344 Monóxido de Carbono 0,571 1,90 2,471 Sulfuro de hidrógeno 1,409 4,688 6,097 Azufre 0,998 3,287 4,285

Análisis del exceso de aire La medida continua del exceso de aire permite el control efectivo de las pérdidas de calor La cantidad de aire se puede determinar continuamente mediante el análisis de los gases de combustión

Cálculo empírico del exceso de aire Un método aproximado consiste en hacer un análisis en un aparato Orsat y calcular el exceso de aire con la fórmula: %exceso de aire = 100 * ((O2 – CO/2) (0,264 N2 – (O2 – CO/2)))

Síntesis Es posible obtener valores teóricos para la necesidad de aire en una combustión dada Posterior al cáculo, porque las composiciones hipotéticas del cálculo no son perfectas, se puede ratificar por mediciones (Orsat o Cromatografía) los productos de combustión para afunar la dosis de aire

Síntesis (Cont) Desajustes en: Relación aire / combustible (molar o másica); Calidad de la mezcla aire / combustible; Temperatura de la combustión (ignición); Tiempo de reacción de la combustión; Flujo de combustible y de aire; Producen desajustes que desbalancean la economía del proceso y la carga ambiental

Síntesis (Cont) La adopción de políticas de optimización basadas en producción mas limpia y sustentabilidad produce mejor rentabilidad; innovación; mejores negocios; nuevos negocios; Tales políticas aportan (a nivel planetario) a la conservación de recursos no renovables y a una empresa mas responsable y orgullosa de si misma La intensidad energética de las calderas las posicionan en un lugar óptimo para aportar sustentabilidad

Bienvenidos a bordo En la gran nave planetaria necesita de todos los innovadores, optimizadores, creadores e inventores de soluciones que aporten posibilidades de futuro (así como se reaccionó frente a la crisis de los 70) El futuro tendrá nuevos combustibles pero debemos llegar, primero, a ese futuro.

Gracias por su atención; les invitamos a la sección: Aportes y Discusión

Generación del Petróleo During the past 600 million years incompletely decayed plant and animal remains have become buried under thick layers of rock. It is believed that petroleum consists of the remains of these organisms but it is the small microscopic plankton organism remains that are largely responsible for the relatively high organic carbon content of fine-grained sediments like the Chattanooga shale which are the principle source rocks for petroleum. Among the leading producers of petroleum are Saudi Arabia, Russia, the United States (chiefly Texas, California, Louisiana, Alaska, Oklahoma, and Kansas), Iran, China, Norway, Mexico, Venezuela, Iraq, Great Britain, the United Arab Emirates, Nigeria, and Kuwait. The largest known reserves are in the Middle East.

King M. Hubbert es un personaje casi mítico dentro el mundo de la geofísica y la geología. En el año 1949 predijo por primera vez que “la era de los combustibles fósiles sería de muy corta duración”. En el año 1956, presentó modelos matemáticos que anunciaban que el peak de la producción petrolífera en los Estados Unidos llegaría a su punto máximo alrededor del año 1970.. En el momento de su predicción y pese a su prestigio, nadie tomó seriamente a Hubbert, siendo criticado e incluso ridiculizado, especialmente por los economistas. El hecho es que efectivamente, en el año 1970 la extracción de crudo en los Estados Unidos empezó a disminuir, empezando una época de déficit en la balanza comercial energética norteamericana. Campbell, Laherrère, y otros como Deffeyes, Duncan, Barlett, Ivanhoe o Youngquist son denominados “geólogos del barril medio vacío”, o geólogos “pesimistas”. Utilizando la metodología de Hubbert y datos obtenidos de la compañía Petroconsultants/IHS, una de las más prestigiosas en cuestiones energéticas a nivel mundial, están prediciendo el “oil peak” de la producción mundial para la primera década de este siglo (entre ellos mismos hay una cierta variación en las fechas, yendo desde el 2004 al 2010, aunque como dicen, las fechas exactas son irrelevantes, lo que cuenta es la inevitable tendencia). http://www.crisisenergetica.org/staticpages/index.php?page=20031004115458153 (*)