COMBUSTIÓN PROF. ING. GREGORIO BERMÚEZ

Definición de Combustión: La combustión es un conjunto de reacciones de oxidación con desprendimiento de calor, que se Producen entre dos elementos: el COMBUSTIBLE, que puede ser un sólido (Carbón, Madera, etc.), un líquido ( Gasóleo, Fuel-Oil, etc.) o un gas (Natural, Propano, etc.) y el COMBURENTE oxigeno.

COMBUSTIÓN EN UNA CALDERA La combustión se distingue de otros procesos de oxidación lenta, por ser un proceso de oxidación rápida y con presencia de llama; a su vez también se diferencia de otros procesos de oxidación muy rápida (detonaciones, deflagraciones y explosiones) por obtenerse el mantenimiento de una llama estable.

COMBUSTIÓN EN UNA CALDERA Para que la combustión tenga lugar han de coexistir tres factores: Combustible, Comburente y Energía de activación. El comburente universal es el oxígeno, por lo Que en la práctica se utiliza el aire como Comburente, ya que está compuesto, Prácticamente, por 21% Oxígeno (O2) y 79% Nitrógeno (N2);

PROCESO BASICO DE COMBUSTIÓN es una forma especial de oxidación en que el oxígeno del aire se combina con elementos combustibles, que generalmente son carbono, hidrógeno y en menor medida azufre. Importante para los estudiosos de combustión son la termodinámica química y la cinética de la llama y velocidad de las reacciones. Se necesita una mezcla adecuada de combustible y aire, así como una temperatura de ignición para que el proceso de combustión continúe. El combustible debe prepararse de forma que se haga posible dicho proceso a través de la mezcla de combustible y aire. El término inflamabilidad se utiliza para describir la capacidad de quemarse, o realmente su habilidad para convertirse en gas de forma que la combustión pueda tener.

REACCIONES QUIMICAS EN EL PROCESO DE COMBUSTIÓN Es necesaria una adecuada proporción entre combustible y oxígeno (o aire) con los elementos combustibles. La mezcla de combustible y oxígeno (o aire) debe llevarse a cabo de modo que una mezcla uniforme esté presente en la zona de combustión y así cada partícula de combustible tenga aire alrededor para ayudar en la combustión. Los combustibles sólidos normalmente se convertirán primero en gas por el calor y la presencia de aire. Los combustibles líquidos se vaporizan a gas y después arden. La atomización de los líquidos incrementa su mezcla con aire y la vaporización a gas. La pulverización del carbón tendrá el mismo efecto. La temperatura de ignición se establecerá y será monitorizada de forma que el combustible continúe su ignición sin calor externo cuando la combustión arranque.

ELEMENTOS DE LA COMBUSTIÓN Los elementos fundamentales que producen calor en los combustibles son el carbono, el hidrógeno y sus compuestos. Siempre son el carbono, el hidrógeno o el azufre lo que producen las reacciones químicas caloríficas al combinarse con el oxígeno.

COMBUSTIÓN EN UNA CALDERA Si no se suministra suficiente aire u oxígeno, la mezcla es rica en combustible; así que la llama se reduce, con una llama resultante que tiende a ser larga y con humo. La combustión tampoco es completa, y los gases (producto de la combustión) Tendrán combustión no quemado, como partículas de carbono o monóxido de carbono en vez de dióxido de carbono. Se desarrollará menos calor por el proceso de combustión. Si se suministra demasiado oxígeno o aire, la mezcla y la combustión son pobres, dando lugar a una llama más corta y más limpia o clara. El exceso de aire se lleva algo del calor desprendido en el hogar y lo traslada al exterior por la chimenea. La combustión debería efectuarse siempre con exceso de aire para asegurar que todo el combustible se genera correctamente y así obtener el mejor rendimiento del desprendimiento de calor. Esto también deduce la formación de humo y depósito de hollín.

CONTINUACION DE LA COMBUSTION EN UNA CALDERA Cuando los gases de combustión salen por la chimenea como humo negro, es indicio de insuficiente aire. Demasiado aire, formalmente produce un denso humo blanco. Un humo transparente, ligeramente gris, saliendo de una chimenea, es signo de una relación razonablemente buena aire/combustible. Por supuesto, un análisis más exacto se hace con un analizador de gases, como el aparato de Orsat. A partir de este análisis, puede determinarse el porcentaje bien de exceso o de insuficiencia de aire.

ESTEQUIOMETRIA DE LA COMBUSTIÓN Las consideraciones siguientes se refieren al uso de aire como comburente, ya que es el utilizado en la práctica totalidad de las instalaciones de calderas. La estequiometria de la combustión se ocupa de las relaciones másicas y volumétricas entre reactivos y productos. Los aspectos a determinar son principalmente: Aire necesario para la combustión Productos de la combustión y su composición

TIPOS DE COMBUSTIÓN COMBUSTION COMPLETA: Conduce a la oxidación total de todos los elementos que constituyen el combustible. En el caso de hidrocarburos: Carbono CO2,Hidrogeno H2O,Azufre SO2,Nitrógeno N2 y el Oxigeno Participará como oxidante. El Nitrógeno se considera como masa inerte, si bien a las altas temperaturas de los humos pueden formarse óxidos de nitrógeno en pequeñas proporciones (del orden de 0,01%). COMBUSTION INCOMPLETA Los componentes del combustible no se oxidan totalmente por lo que aparecen los denominados inquemados, los mas importantes son CO y H2; otros posibles inquemados son carbono, restos de combustible. COMBUSTION ESTEQUIOMETRICA Es la Combustión Completa realizada con la cantidad estricta de oxígeno; es decir, el aire empleado en la combustión es el mínimo necesario para contener la cantidad de oxígeno correspondiente a la oxidación completa de todos los componentes del combustible.

PARÁMETRO DE LA COMBUSTIÓN PODER COMBURÍVORO: Es la cantidad de aire seco, medida en condiciones normales (Tª =0°C y P=1atm), mínima necesaria para la combustión completa y estequiometria de la unidad de combustible. Unidades habituales: Nm3/kg Combustible, Nm3/Nm3Combustible. Es un parámetro característico únicamente de la composición del combustible y puede tabularse con facilidad. PODER FUMIGENO: Es la cantidad de productos de la combustión (Nm3) que se producen en la combustión estequiometria de la unidad de combustible. En función de considerar o no el vapor de agua existente en los productos de la combustión, se tienen Poderes Fumígenos Húmedo y Seco, respectivamente.

CONTINUACIÓN DE PARAMETROS DE LA COMBUSTIÓN COEFICIENTE DE EXCESO DE AIRE. La mayor parte de las combustiones no transcurren en estas condiciones ideales (completa y estequiométrica), el principal aspecto a considerar será la posibilidad de que la combustión transcurra con exceso o defecto de aire, para caracterizar la proporción de oxigeno ,se define el parámetro “coeficiente de exceso de aire”: n = volumen aire por unidad de combustible / Poder Comburívoro n = 1 : Combustión Estequiométrica n < 1 : Defecto de aire, se dice que la mezcla es rica. n > 1 : Exceso de aire, se dice que la mezcla es pobre

CONTINUACIÓN DE COMBUSTIÓN la combustión puede ser clasificada en: COMBUSTION CON DEFECTO DE AIRE: La cantidad de aire utilizada no contiene el oxígeno necesario para oxidar completamente alos componentes del combustible. CxHy + n2 (O2 + N2) CO2 + CO + H2 + H2O + 0,79 n2 N2 + Calor (Q1) Además de los productos normales de la combustión, Dióxido de carbono (CO2) y Agua (H2O), se producen inquemados como el Monóxido de Carbono (CO) e Hidrógeno (H2); en algunos casos con mucho defecto de aire puede haber incluso carbono y combustible sinquemar, en los humos. El calor producido es inferior al de la combustión completa (Q1 Q).

COMBUSTION CON EXCESO DE AIRE: En este caso la cantidad de aire aportada es superior a la correspondiente a la combustión estequiométrica; la combustión en estas condiciones puede ser : COMPLETA Su expresión es: CxHy + n1 (O2 + N2) x CO2 + (y/2) H2O + 0,21 (n1 - n) O2 + 0,79 n1 N2 + Calor (Q)0,21 n1 x + y/4 Al emplearse más aire que el estrictamente necesario, en los humos se da la presencia de oxígeno. El calor generado (Q) es el correspondiente a la combustión completa. INCOMPLETA La cantidad de aire utilizada es superior a la correspondiente a la combustión estequiométrica, pero a pesar de ello, debido fundamentalmente a que no se ha logrado una buena mezcla entre el combustible y el aire, los componentes del combustible no se oxidan totalmente. CxHy + n1 (O2 + N2) CO2 + CO + H2 + H2O + O2 + 0,79 n1 N2 + Calor (Q2) Respecto a la combustión incompleta con defecto de aire, en los productos de la combustión también se tiene oxígeno; en casos extremos en los humos puede haber carbono y combustible sin quemar.

RELACION AIRE/COMBUSTIBLE Y EL FACTOR DE EXCESOS DE AIRE. Se define como aire teórico o aire mínimo a la cantidad exacta de aire necesaria para que, durante la combustión, se convierta todo el carbono en anhídrido carbónico y todo el hidrógeno en agua. La relación entre el peso de aire y el de combustible de esa mezcla recibe el nombre de relación aire/combustible.