L A R C COMBUSTION Latin American Research Center © 2004 Ing. Juan Tuñon Morales Ing. Johnny Nahui Ortiz, Ph.D. © 2004 larcperu@terra.com.pe

PROCESO DE LA COMBUSTION El proceso de la combustión implica la oxidación de los componentes en el combustible capaces de ser oxidados y puede, por lo tanto, ser representados por una ecuación química. Reactivos Producto C + O2 CO2 Un mol de carbono reacciona con un mol de oxigeno para formar un mol de dióxido de carbono 12 Kgm C + 32 Kgm O2 = 44 Kgm CO2 En los procesos de combustión puede haber varios productos intermedios formados durante la reacción.

Sea un combustible C Kg de carbono y H2 Kg de hidrógeno Para la combustión de 12 Kg de carbono se necesitan 22.4 m3 de oxígeno; para C Kg de carbono se necesitarán: 22.4 x (C/12)=1.87 x C m3 de O2 Para la combustión de 2 kg de hidrógeno, se necesitan 11.2 m3 de oxígeno; para H2 Kg de hidrógeno se necesitarán: 11.2 x (H2/2) = 5.6 x H2 m3 de O2 Para la combustión de 1 kg de combustible, el oxígeno mínimo necesario estequiométrico será: 1.87C+5.6H2 m3 El aire mínimo necesario: Am = 100/21= 4.76 O2 El aire estequiométrico por kg de combustible:8.9C+26.67H2 Ejm: para un combustible 88% C y 12% N. El aire estequiométrico necesario será: Am = 8.9 (0.88) +26.67(0.12) = 11.03 m3 de aire

TEORIA INORGANICA DE LA COMBUSTION INDUSTRAL Postulado 1: Todos los combustibles industriales son lo mismo: combinaciones Hidrógeno-Carbono. En su concepción más simple, la combustión puede definirse como la acción de arder o quemarse de cualquier forma de materia combustible, por efecto de la reacción de sus componentes con el oxígeno, formando nuevos compuestos y liberando energía en forma de luz y calor.

TEORIA INORGANICA DE LA COMBUSTION INDUSTRIAL Postulado 2 Todos los combustibles industriales se queman en la misma forma. El carbono e hidrógeno contenidos en cualquier combustible sólido, líquido o gaseoso, sea cual fuere la forma química en que se encuentren combinados, se disociarán a su forma elemental antes de reaccionar con el oxígeno disponible. Postulado 1: Todos los combustibles industriales son lo mismo: combinaciones Hidrógeno-Carbono. En su concepción más simple, la combustión puede definirse como la acción de arder o quemarse de cualquier forma de materia combustible, por efecto de la reacción de sus componentes con el oxígeno, formando nuevos compuestos y liberando energía en forma de luz y calor.

Postulado 3: La partícula elemental de carbono representa el núcleo básico de la combustión industrial: . La proporción de carbón respecto al hidrógeno en los combustibles es siempre sensiblemente mayor. La proporción en peso del carbono en todos los combustibles industriales varía entre 75 y 100%. . La combustión del hidrógeno es prácticamente instantánea en cualquier condición, mientras que el tiempo de reacción de la partícula de carbón puede ser de varios segundos, efectuándose en 2 etapas: combustión heterogénea sólido a gas desprendiendo CO y la de éste con el O2 para completar el CO2

Postulado 4: Las partículas de carbón siempre combustionan en forma elemental y heterogénea Puntos de fusión y sublimación del carbono: 3600 y 4200 ºC (no se alcanza en procesos industriales). La reacción se inicia en la superficie de la partícula al ponerse en contacto los átomos de carbono y las moléculas de oxígeno, generalmente contenido en el aire, que actúa como comburente y se alcanzan las condiciones mínimas para desencadenar la reacción A temperatura ambiente, el carbón en contacto con el aire ya se encuentra reaccionando y liberando calor, aunque en forma imperceptible debido a la escasa cinética de la reacción.

Los parámetros quel permiten caracterizar la partícula de carbón en cuanto a su comportamiento durante el proceso de combustión son los siguientes: a) Tamaño de la partícula, expresado como diámetro promedio en micras, resulta determinante de la velocidad de reacción y liberación de calor. b) Porosidad: influencia la velocidad de reacción al incrementar la superficie de contacto para calentamiento y reacción heterogénea c) Contenido de volátiles, los volátiles influencian la velocidad de calentamiento de la partícula y por tanto la cinética de la reacción heteogénea. d) Reactividad: depende de las características superficiales de la partícula.

Combustión orgánica, combustión de los alimentos que ingieren los seres vivientes para generar la energía vital. Combustión inorgánica (industrial) permite generar y disponer de la energía química almacenada a través de los siglos en los combustibles fósiles, para procesos de transformación de la materia y la propia energía. Estas dos formas de combustión establecen diferencias fundamentales en la práctica en cuanto a los niveles térmicos y la forma en que se realizan en la práctica, mientras que la energía de los alimentos la manejamos en calorías, en el otro en millones de kilocalorías.

Respecto a la forma en que se realiza la combustión, la diferencia fundamental la representa la ignición. En la combustión industrial la ignición de la mezcla combustible resulta imprescindible para iniciar y sostener la llama. En la combustión orgánica no podría producirse ignición ni llama, por lo cual la naturaleza ha dispuesto otra forma de reacción apropiada. Las plantas aboserben agua por la raíz y anhidrido carbónico por las hojas, utilizando la energía absorbida por la reacción solar a través de la fotosíntesis, rompen la molécula de agua combinandose el hidrógeno con el CO2 para formar los carbohidratos, proteínas, glúcidos, etc., que

constituyen los alimentos; el oxígeno se libera a la atmósfera constituyen los alimentos; el oxígeno se libera a la atmósfera. Al ingerir los alimentos, en los seres vivientes se digieren y preparan para invertir la reacción, combinandose con el oxígeno transportado por la sangre, para mantener el ciclo vital. La vinculación de combustión industrial con la combustión inorgánica se inicia al producirse la conversión de las plantas y organismos vivos en yacimientos de recursos combustibles que deshidratados y desgasificados a través de los siglos han llegado a constituir los combustibles utilizados industrialmente aprovechando el alto poder calorífico concentrado.

ESQUEMADE LA COMBUSTION INDUSTRIAL a) Proporción correcta aire-combustible - Diseño del quemador con márgenes para regulación de cantidades de aire y combustible. - Combustión completa con exceso aire mínimo - La eficiencia de combustión se determinará por el análisis de los gases de combustión. b) Mezcla adecuada aire combustible - Las condiciones de mezcla depende del diseño del quemador. Esta debe ser uniforme y permanente para cada punto de regulación. Y lograr el máximo contacto superficial entre el oxígeno y combustible, ya sea por pulverización, atomización, vaporización.

c) Ignición inicial y sostenida de la mezcla - Se requiere aporte de calor de una fuente externa - Resulta necesario aplicar mucho calor a un área localizada para acelerar la reacción. - La mezcla se encenderá sólo al alcanzar su temperatura mínima de ignición, variable para cada combustible. - Al producir las reacciones de combustión más calor del que se pierde a los alrededores, se mantendrá la combustión sin necesidad de la fuente externa El cumplimiento de estos 3 requerimientos permite: - Lograr el máximo aprovechamiento del Pc del combustible utlizado. - Aportar el calor requerido con el menor consumo

TIPOS DE COMBUSTION: El objetivo fundamental de la combustión es el de conseguir la oxidación total del carbono y del hidrógeno para formar dióxido de carbono (CO2) y agua (H2O) con lo cual se produce la máxima energía en forma de calor y se evita efectos contaminantes. En función de la calidad de sus productos: . Combustión perfecta (estequiométrica) . Combustión completa (con exceso de aire) . Combustión incompleta (con defecto de aire) . Combustión imperfecta (pseudocombustión)

COMBUSTION PERFECTA ESTEQUIOMETRICA: Se consigue mezclando y quemando las cantidades exactamente requeridas de combustible y oxígeno, los cuales se queman en forma completa y perfecta, limitada por condiciones físicas y químicas, ya que sólo en teoría podemos hablar de reacciones pefectamente estequiométricas.

COMBUSTION COMPLETA ESTEQUIOMETRICA CALOR UTIL COMBUSTIBLE C + H + S TODO EL OXIGENO USADO TODO EL COMBUSTIBLE QUEMADO PRODUCTOS CO2 H2 SO2 N2 AIRE ESTEQUIOMETRICO PERDIDAS DE CALOR

COMBUSTION COMPLETA CON EXCESO DE AIRE: Sin presencia de monóxido de carbono en los humos de chimenea, es necesario emplear la proporción de oxígeno superior a la teórica con: . Disminución de la temperatura máxima posible al aumentar la cantidad de gases en la combustión. . Variación sensible en cuanto a la concentración de los óxidos formados respecto al nitrógeno

COMBUSTION COMPLETA CON EXCESO DE AIRE CALOR UTIL COMBUSTIBLE C + H + S TODO EL OXIGENO USADO TODO EL COMBUSTIBLE QUEMADO PRODUCTOS CO2 H2O SO2 SO3 N2 O2 AIRE ESTEQUIOMETRICO O2 + N2 EXCESO DE AIRE PERDIDAS DE CALOR

COMBUSTION INCOMPLETA CON DEFECTO DE AIRE: Cuando el oxígeno presente en la combustión no alcanza el valor teórico necesario para la formación de CO2, H2O y SO2 la combustión es necesariamente incompleta, apareciendo en los gases de combustión el monóxido de carbono, hidrógeno y partículas sólidas de carbono, azufre o sulfuros. Un 1% de CO en los gases produce una pérdida 4% del poder calorífico del combustible.

COMBUSTION INCOMPLETA CON DEFECTO DE AIRE CALOR UTIL COMBUSTIBLE CO2 CO H2O O2 c SO2 Hidroc C + H + S TODO EL OXIGENO USADO COMBUSTIBLE INQUEMADO PRODUCTOS ½ O2 + N2 AIRE INSUFICIENTE PERDIDAS DE CALOR

COMBUSTION IMPERFECTA O seudocombustión oxidante cuando pese a existir exceso de aire, no se completan las reacciones de combustión, apareciendo en los humos de chimenea productos de combustión incompleta, tales como inquemados, residuos de combustibles sin oxidar, partículas sólidas, etc. Debido a: . Elevada carga térmica del hogar . La escasa turbulencia . La falta de uniformidad de pulverización . El enfriamiento de la llama . El alto porcentaje de carbono en los combustibles

COMBUSTION IMPERFECTA CON EXCESO DE AIRE CALOR UTIL COMBUSTIBLE C + H + S EXCESO DE OXIGENO COMBUSTIBLE INQUEMADO PRODUCTOS CO2 H2O SO2 SO3 N2 O2 AIRE ESTEQUIOMETRICO O2 + N2 EXCESO DE AIRE PERDIDAS DE CALOR

TIPOS COMBUSTION, POR LA FORMA a) Reacción homogénea Gas-Gas TIPOS COMBUSTION, POR LA FORMA a) Reacción homogénea Gas-Gas. Sólo nos interesan las reacciones que se producen entre el Hidrógeno y el CO del combustible con el oxígeno del aire. Llama apariencia azulada b) Reacción Heterogénea Sólido-Gas Es la que se produce en el entorno de la partícula de carbono para formación de CO y subsecuente combustión con el oxígeno para formar O2. Los factores determinantes de la velocidad de reacción dependerán del tamaño de la partícula y la disponibilidad de oxígeno en su entorno.

PLANTA DE ASFALTO DE BITUMEN S.A.

ANALISIS TERMICO INSTRUMENTOS UTILIZADOS: ANALIZADOR PORTATIL DE GASES Spirax Sarco Publication P38 INSTRUMENTOS UTILIZADOS: ANALIZADOR PORTATIL DE GASES MEDIDOR DE TEMPERATURA INFRAROJO MEDIDOR DE TEMPERATURA DE CONTACTO MEDIDOR DE HUMEDAD MEDIDOR DE FLUJO PITTOT “Condensate and Flash Steam Recovery” Contents 1. Condensate Return 2. Sizing Condensate Return Lines 3. Long Delivery Lines 4. Flooded Return Lines 5. General 6. Condensate Pumping 7. Flash Steam 8. Typical Applications Introduction When steam condenses, the enthalpy transferred to the cooler material being heated accounts for about only 75% of the enthalpy supplied in the boiler to produce the steam. The remainder, about 25%, is still held by the condensed water. As well as having this heat content, the condensate is distilled water and is ideal for use as boiler feed water. An efficient instillation will collect every drop of condensate it economically can, and return it to the deaerator or boiler feed tank, or use it in the process. Condensate is discharged through steam traps from a higher to a lower pressure. Some of its heat content then re-evaporates, as “flash steam”, a proportion of the condensate. A 10% loss of flash steam means that 10% of the fuel is being burnt, just to heat the atmosphere. Flash Steam Recovery is an important part of achieving an energy efficient system. This training module will look at two essential areas - Condensate Return and Flash Steam Recovery. Some of the apparent problem areas are outlined and solutions offered.

CALDERA DE ACEITE TERMICO Spirax Sarco Publication P38 RESULTADOS DE GASES DE COMBUSTION “Condensate and Flash Steam Recovery” Contents 1. Condensate Return 2. Sizing Condensate Return Lines 3. Long Delivery Lines 4. Flooded Return Lines 5. General 6. Condensate Pumping 7. Flash Steam 8. Typical Applications Introduction When steam condenses, the enthalpy transferred to the cooler material being heated accounts for about only 75% of the enthalpy supplied in the boiler to produce the steam. The remainder, about 25%, is still held by the condensed water. As well as having this heat content, the condensate is distilled water and is ideal for use as boiler feed water. An efficient instillation will collect every drop of condensate it economically can, and return it to the deaerator or boiler feed tank, or use it in the process. Condensate is discharged through steam traps from a higher to a lower pressure. Some of its heat content then re-evaporates, as “flash steam”, a proportion of the condensate. A 10% loss of flash steam means that 10% of the fuel is being burnt, just to heat the atmosphere. Flash Steam Recovery is an important part of achieving an energy efficient system. This training module will look at two essential areas - Condensate Return and Flash Steam Recovery. Some of the apparent problem areas are outlined and solutions offered.

HORNO ROTATIVO RESULTADOS DE GASES DE COMBUSTION Spirax Sarco Publication P38 RESULTADOS DE GASES DE COMBUSTION “Condensate and Flash Steam Recovery” Contents 1. Condensate Return 2. Sizing Condensate Return Lines 3. Long Delivery Lines 4. Flooded Return Lines 5. General 6. Condensate Pumping 7. Flash Steam 8. Typical Applications Introduction When steam condenses, the enthalpy transferred to the cooler material being heated accounts for about only 75% of the enthalpy supplied in the boiler to produce the steam. The remainder, about 25%, is still held by the condensed water. As well as having this heat content, the condensate is distilled water and is ideal for use as boiler feed water. An efficient instillation will collect every drop of condensate it economically can, and return it to the deaerator or boiler feed tank, or use it in the process. Condensate is discharged through steam traps from a higher to a lower pressure. Some of its heat content then re-evaporates, as “flash steam”, a proportion of the condensate. A 10% loss of flash steam means that 10% of the fuel is being burnt, just to heat the atmosphere. Flash Steam Recovery is an important part of achieving an energy efficient system. This training module will look at two essential areas - Condensate Return and Flash Steam Recovery. Some of the apparent problem areas are outlined and solutions offered.

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Spirax Sarco Publication P38 “Condensate and Flash Steam Recovery” Contents 1. Condensate Return 2. Sizing Condensate Return Lines 3. Long Delivery Lines 4. Flooded Return Lines 5. General 6. Condensate Pumping 7. Flash Steam 8. Typical Applications Introduction When steam condenses, the enthalpy transferred to the cooler material being heated accounts for about only 75% of the enthalpy supplied in the boiler to produce the steam. The remainder, about 25%, is still held by the condensed water. As well as having this heat content, the condensate is distilled water and is ideal for use as boiler feed water. An efficient instillation will collect every drop of condensate it economically can, and return it to the deaerator or boiler feed tank, or use it in the process. Condensate is discharged through steam traps from a higher to a lower pressure. Some of its heat content then re-evaporates, as “flash steam”, a proportion of the condensate. A 10% loss of flash steam means that 10% of the fuel is being burnt, just to heat the atmosphere. Flash Steam Recovery is an important part of achieving an energy efficient system. This training module will look at two essential areas - Condensate Return and Flash Steam Recovery. Some of the apparent problem areas are outlined and solutions offered.

MEJORAS PROPUESTAS HORNO ROTATIVO CALDERA DE ACEITE TERMICO MEJORANDO LA EFICIENCIA DE LA COMBUSTION SE OBTENDRIA UN AHORRO DE US$ 3905. Spirax Sarco Publication P38 “Condensate and Flash Steam Recovery” Contents 1. Condensate Return 2. Sizing Condensate Return Lines 3. Long Delivery Lines 4. Flooded Return Lines 5. General 6. Condensate Pumping 7. Flash Steam 8. Typical Applications Introduction When steam condenses, the enthalpy transferred to the cooler material being heated accounts for about only 75% of the enthalpy supplied in the boiler to produce the steam. The remainder, about 25%, is still held by the condensed water. As well as having this heat content, the condensate is distilled water and is ideal for use as boiler feed water. An efficient instillation will collect every drop of condensate it economically can, and return it to the deaerator or boiler feed tank, or use it in the process. Condensate is discharged through steam traps from a higher to a lower pressure. Some of its heat content then re-evaporates, as “flash steam”, a proportion of the condensate. A 10% loss of flash steam means that 10% of the fuel is being burnt, just to heat the atmosphere. Flash Steam Recovery is an important part of achieving an energy efficient system. This training module will look at two essential areas - Condensate Return and Flash Steam Recovery. Some of the apparent problem areas are outlined and solutions offered. HORNO ROTATIVO MEJORANDO LA EFICIENCIA DE LA COMBUSTION SE OBTENDRIA UN AHORRO DE US$ 3010.

MEJORAS PROPUESTAS AISLAMIENTO TERMICO TANQUE DE ALMACENAMIENTO RESIDUAL 6 DISMINUIR LA TEMPERATURA DE CALENTAMIENTO DE 120 C A 60 C PARA OBTENER UN AHORRO DE US$ 3010. Spirax Sarco Publication P38 “Condensate and Flash Steam Recovery” Contents 1. Condensate Return 2. Sizing Condensate Return Lines 3. Long Delivery Lines 4. Flooded Return Lines 5. General 6. Condensate Pumping 7. Flash Steam 8. Typical Applications Introduction When steam condenses, the enthalpy transferred to the cooler material being heated accounts for about only 75% of the enthalpy supplied in the boiler to produce the steam. The remainder, about 25%, is still held by the condensed water. As well as having this heat content, the condensate is distilled water and is ideal for use as boiler feed water. An efficient instillation will collect every drop of condensate it economically can, and return it to the deaerator or boiler feed tank, or use it in the process. Condensate is discharged through steam traps from a higher to a lower pressure. Some of its heat content then re-evaporates, as “flash steam”, a proportion of the condensate. A 10% loss of flash steam means that 10% of the fuel is being burnt, just to heat the atmosphere. Flash Steam Recovery is an important part of achieving an energy efficient system. This training module will look at two essential areas - Condensate Return and Flash Steam Recovery. Some of the apparent problem areas are outlined and solutions offered. AISLAMIENTO TERMICO MEJORANDO E INSTALANDO AISLAMIENTO TERMICO SE OBTIENE UN AHORRO DE US$ 3520.

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ANALISIS ECONOMICO Spirax Sarco Publication P38 “Condensate and Flash Steam Recovery” Contents 1. Condensate Return 2. Sizing Condensate Return Lines 3. Long Delivery Lines 4. Flooded Return Lines 5. General 6. Condensate Pumping 7. Flash Steam 8. Typical Applications Introduction When steam condenses, the enthalpy transferred to the cooler material being heated accounts for about only 75% of the enthalpy supplied in the boiler to produce the steam. The remainder, about 25%, is still held by the condensed water. As well as having this heat content, the condensate is distilled water and is ideal for use as boiler feed water. An efficient instillation will collect every drop of condensate it economically can, and return it to the deaerator or boiler feed tank, or use it in the process. Condensate is discharged through steam traps from a higher to a lower pressure. Some of its heat content then re-evaporates, as “flash steam”, a proportion of the condensate. A 10% loss of flash steam means that 10% of the fuel is being burnt, just to heat the atmosphere. Flash Steam Recovery is an important part of achieving an energy efficient system. This training module will look at two essential areas - Condensate Return and Flash Steam Recovery. Some of the apparent problem areas are outlined and solutions offered.