Presentación combustión 2009

Combustión

Estelí, Septiembre de 2009

Sumario

A)Bases químicas y termodinámicas: Reacción de combustión

b) Clasificación de tecnologías

c)Incidencia medioambiental de la combustión

d)Aspectos económicos del aprovechamiento energético de la biomasa mediante combustión

Combustible

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

Combustible

• Los combustibles pueden ser:

Sólidos:

• El carbón se quema en calderas para calentar agua que puede vaporizarse para mover máquinas a vapor o directamente para producir calor utilizable en usos térmicos (calefacción).

• La madera se utiliza principalmente para la calefacción doméstica e industrial

Combustible

• Fluidos:

• Líquidos: como el gasóleo, el queroseno o la gasolina (o nafta)

• Gaseosos: como el gas natural o los gases licuados de petróleo (GLP), representados por el propano y el butano.

• Las gasolinas, gasóleos y hasta los gases, se utilizan para motores de combustión interna.

Combustible

• Se llaman también combustibles a las sustancias empleadas para producir la reacción nuclear en el proceso de fisión, cuando este proceso no es propiamente una combustión.

Combustible

• Los combustibles fósiles son mezclas de compuestos orgánicos mineralizados que se extraen del subsuelo con el objeto de producir energía por combustión. El origen de esos compuestos son seres vivos que murieron hace millones de años. Se consideran combustibles fósiles al carbón, procedente de bosques del periodo carbonífero, el petróleo y el gas natural, procedentes de otros organismos.

Principales combustibles fósilesCombustible MJ/kg kcal/kg

Gas natural 53,6 12 800

Acetileno 48,55 11 600

Propano, gasolina, butano 46,0 11 000

Gasoil 42,7 10 200

Fueloil 40,2 9 600

Antracita 34,7 8 300

Coque 32,6 7 800

Gas de alumbrado 29,3 7 000

Alcohol de 95º 28,2 6 740

Turba 19,7 4 700

Hulla 16,7 4 000

Poder calorífico

• La principal característica de un combustible es su poder calorífico, que es el calor desprendido por la combustión completa de una unidad de masa (kilogramo) de combustible. Este calor o poder calorífico, también llamado capacidad calorífica, se mide en joule.

Poder calorífico

• El poder calorífico expresa la energía máxima que puede liberar la unión química entre un combustible y el comburente y es igual a la energía que mantenía unidos los átomos en las moléculas de combustible, menos la energía utilizada en la formación de nuevas moléculas en las materias (generalmente gases) formadas en la combustión.

Poder calorífico

• La magnitud del poder calorífico puede variar según como se mida.

• poder calorífico superior (PCS): calor verdaderamente producido en la reacción de combustión

• poder calorífico inferior (PCI): calor realmente aprovechable, el producido sin aprovechar la energía de la condensación del agua y otros procesos de pequeña importancia.

Poder calorífico

Poder calorífico superior

• Es la cantidad total de calor desprendido en la combustión completa de 1 Kg de combustible cuando el vapor de agua originado en la combustión está condensado y se contabiliza, por consiguiente, el calor desprendido en este cambio de fase.

Poder calorífico

Poder calorífico inferior

• Es la cantidad total de calor desprendido en la combustión completa de 1 kg de combustible sin contar la parte correspondiente al calor latente del vapor de agua de la combustión, ya que no se produce cambio de fase, y se expulsa como vapor.

Poder calorífico

• Para madera completamente seca, la cantidad de energía por unidad de peso es más o menos igual para todas las especies, con un promedio de valor calorífico bruto de 20 MJ/kg para madera de tronco. Los valores pueden variar ligeramente, según el contenido de ceniza: para ramas pequeñas, tienden a ser más bajos y más variables. Sin embargo, en la práctica, la humedad relativa es el factor más importante que determina el valor calorífico.

Poder calorífico de la biomasa

• Los combustibles contienen agua e H2 que en la combustión se presentarán en forma de vapor de agua. De este modo, el calor de combustión utilizable se ve disminuido en el calor de vaporización del agua.

Poder calorífico de la biomasa

• En todos los procesos de combustión interesa sólo el calor referido al agua en forma de vapor, es decir el Poder Calorífico Inferior (PCI), porqué el calor de condensación del vapor de agua, contenido en el gas, no resulta utilizable en la práctica.

• La humedad, además de influir disminuyendo el poder calorífico del combustible y aumentando por tanto el consumo de combustibles, hace descender la temperatura del horno y los gases, con lo que favorece la formación de gas sin quemar.

Contenido de humedad

• El contenido de humedad se define como la cantidad de agua presente en la biomasa (% peso). Los niveles de agua en la biomasa pueden ser altos; esto afecta el valor calorífico y el proceso de combustión. primero se necesita evaporar el agua antes de que el calor esté disponible; por eso, cuanto más alto el contenido de humedad, menor es el valor calorífico.

El valor de la humedad se puede indicar • En base seca : se define como la fracción del peso del

agua dentro de la biomasa y el peso del material seco• En base húmeda: es la fracción del peso del agua

dentro de la biomasa y el peso total del material.

Poder calorífico de la biomasa

Cenizas de la combustión

• La producción de cenizas tras la combustión depende del tipo de combustible, oscilando entre el 1,5% para combustibles leñosos y superior al 6% para las maderas de origen residual (palets, muebles viejos, etc.).

Combustión

• La combustión es una reacción química en la que un elemento (combustible) se combina con otro (comburente, generalmente oxígeno en forma de O2 gaseoso), desprendiendo calor y produciendo un óxido; la combustión es una reacción exotérmica que produce:

• Calor

• Luz

Combustión

• Los tipos más frecuentes de combustible son los materiales orgánicos que contienen carbono e hidrógeno. El producto de esas reacciones puede incluir monóxido de carbono (CO), dióxido de carbono (CO2), agua (H2O) y cenizas.

• El proceso de destruir materiales por combustión se conoce como incineración.

• Para iniciar la combustión de cualquier combustible, es necesario alcanzar una temperatura mínima, llamada temperatura de ignición o de inflamación.

• Existen varios tipos de combustión, entre los cuales están la combustión incompleta y la completa:

Combustión incompleta

• Parte del combustible no reacciona completamente porque el oxígeno no es suficiente.

• Se reconoce por una llama amarillenta

• Se forma además de dióxido de carbono (CO2) y agua (H2O) otros subproductos de la combustión los cuales incluyen hidrocarburos no quemados, como Carbono (C), Hidrógeno (H) y monóxido de carbono (CO).

Combustión completa

• La combustión completa es cuando todo el carbono de la materia orgánica quemada se transforma en CO2. Se puede reconocer por la llama azul producida por la incineración del material.

• Ocurre cuando las sustancias combustibles reaccionan hasta el máximo grado posible de oxidación. En este caso no habrá presencia de sustancias combustibles en los productos o humos de la reacción.

Características químicas de la biomasa

Reacción de combustión

En este proceso se añade una cierta cantidad de calor al material combustible (hasta que alcanza su punto de ignición) para que se produzca la oxidación de los compuestos de carbono con la subsiguiente liberación de energía.

En el proceso intervienen tres componentes:• a) El combustible (líquido, sólido, gaseoso)• b) El oxidante (oxígeno)• c) El diluyente (Nitrógeno)

Reacción de combustión

• Productos de la combustión:

• a) Productos orgánicos oxidados, CO2 y H2O

• b) Productos oxidados de otras sustancias presentes en el combustible

• c) Productos residuales parcialmente oxidados tales como hidrocarburos no quemados, CO

• d) Diluyentes, Nitrógeno y oxigeno no utilizado

Reacción de combustión

• Las principales reacciones químicas que se utilizan en el estudio de las combustiones completas tanto si se emplea aire u oxigeno, son:

• C + O2 -----------------CO2

• CO + ½ O2 ------------CO2

• H2 + ½ O2 -------------H2O

• S + O2 -----------------SO2

• SH2 + 3/2 O2 ---------SO2 + H2O

Reacción de combustión

• La reacción química genérica que teóricamente (forma estequiométrica) tiene lugar es

  • CxHy + bO2 + b (79/21) N2 ----> xCO2 + (y/2) H2O + b

(79/21) N2 + ENERGÍA

• Donde 2b = 2x + y/2

   • Por cada mol de combustible, aparecen

x+y/2+b(79/21) moles de productos. El calor generado se emplea en calentar estos productos.

COMBUSTIBLE AIRE CO2 AGUA NITROGENO

Reacción de combustión

Reacción teórica• La reacción teórica para una combustión completa,

convirtiéndose todo el C a CO2 y el H2 a H2O, utilizando aire como comburente es del tipo:

• C8 H18 + aire ----------------- CO2 + H2O

• C8 H18 + b(O2 + 3,76 N2) ----------- xCO2 + y/2(H2O) + d N2

• siendo la ecuación química estequiométrica balanceada

• C8 H18 + 12,5 (O2 + 3,76 N2) ----- 8 CO2 + 9 H2O + 47 N2

Reacción de combustión

• Reacción real genérica

a [ Cu Hv Ow Nx Sy ] + b [O2] + 3,76 b [N2] + c [humedad] +

d [impurezas] → e [CO2] + f [H2O] + g [O2] + h [H2] + i

[CO] + j [SO2] + k [NO] + l [NO2] + m [cenizas] + a [PCI]

Donde:

• [Cu Hv Ow Nx Sy ] = un mol de materia combustible donde suele tomarse a=1 (por mol de combustible)

• e + f + g + h + i + j + k + l = 1 (por mol de producto gaseoso)

Reacción de combustión

• La reacción anterior representa una reacción real que se produce en un reactor de combustión teniendo en cuenta todas las variables que se presentan inclusive la humedad, impurezas y cenizas.

Reacción de combustión

• Un ejemplo de reacción de combustión puede ser la del metano (gas natural):

• metano + oxígeno = dióxido de carbono + agua + energía

• CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O + 890 kJ/mol

Combustión de biomasa

Aire primario: sirve para asegurar la pirólisis del material orgánico, y la combustión de los piroleñosos.

• Aire secundario: destinado a quemar los gases surgidos de la pirólisis,

• se realiza sin demasiada cantidad de aire, para disminuir el volumen de humos, y por tanto las pérdidas de calor sensible

• Agregar un exceso de aire.

Combustión de biomasa

• El combustible debe permanecer en el hogar el tiempo necesario para que se produzca su combustión total.

• Influyen: el poder calorífico del combustible, granulometría, humedad, condiciones de ventilación (exceso de aire y mezcla), temperatura, El volumen del hogar debe ser mayor, con el fin de que ardan los gases por completo.

Comburente

• Se denomina comburente a la sustancia que participa en la combustión oxidando al combustible.

• El comburente más habitual es el oxígeno, que se encuentra normalmente en el aire (21%).

• Para que se produzca la combustión es necesaria la presencia de una proporción mínima de oxígeno, que por regla general va de 5 - 15%.

• En situaciones donde no existe oxígeno o en donde se desea una combustión fuerte y muy energética, se puede usar oxígeno gaseoso o líquido.

Motores de combustión interna

• Un motor de combustión interna es un tipo de máquina que obtiene energía mecánica directamente de la energía química producida por un combustible que arde dentro de una cámara de combustión, la parte principal de un motor. Se emplean 4 tipos de motores de combustión interna:

Motores de combustión interna

• El motor de explosión cíclo Otto, es el motor convencional de gasolina que se emplea en automoción y aeronáutica.

• El motor diésel, funciona con un principio diferente y suele consumir gasóleo. Se emplea en instalaciones generadoras de energía eléctrica, en sistemas de propulsión naval, en camiones, autobuses y automóviles..

• El motor rotatorio. • La turbina de combustión.

Biocarburantes y biocombustibles

¿Que es un biocarburante o biocombustible? • Los biocarburantes o biocombustibles son combustibles

que se generan a partir de procesos biológicos, no fosilizado. Presentan una gran cantidad de ventajas frente los combustibles fósiles, entre ellas producir bastante menos cantidad de CO2, son recursos renovables, menor emisión de contaminantes en la atmósfera, como el efecto invernadero entre muchos otros. Este tipo de biocombustibles, están caracterizados por la posibilidad de aplicación a los actuales motores de combustión interna,

• Tecnologías de Aprovechamiento Energético de Biomasa

Tecnologías de Aprovechamiento

• Las reacciones de combustión son muy útiles para la industria de procesos ya que permiten disponer de energía para otros usos y generalmente se realizan en equipos de proceso como hornos, calderas y todo tipo de cámaras de combustión.

Tecnologías de Aprovechamiento

• Un dispositivo muy común es el quemador, el cual produce una llama característica para cada combustible empleado. Este dispositivo debe mezclar el combustible y un agente oxidante (el comburente) en proporciones que se encuentren dentro de los límites de inflamabilidad para el encendido y así lograr una combustión constante.

Aprovechamiento Energético

• a) Aprovechamiento térmico: Producción de agua caliente o vapor de agua con fines domésticos, comerciales o productivos

• b) Aprovechamiento eléctrico: Basado en el anterior, que permite mediante un ciclo de vapor (ciclo Rankine) la transformación de la energía del vapor en energía mecánica y finalmente eléctrica.

• El otro gran apartado de tecnologías en fase comercial son las referidas a la valorización de Residuos sólidos urbanos (RSU),

Aprovechamiento en el sector doméstico

• Para cocinar, particularmente en zonas rurales. Sus fuentes son árboles alrededor de las viviendas, los campos agrícolas y los bosques. En algunos lugares existe un mercado comercial informal de leña, que constituye una fuente importante de ingresos para familias rurales.

• Las estufas usadas para la cocción pueden ser fijas o portátiles y, a veces, tienen una chimenea. Algunas familias hacen su propia estufa de materiales locales; generalmente son simples y son de baja eficiencia. Además, emiten cantidades considerables de gases tóxicos que tienen un impacto en la salud del núcleo familiar.

Aprovechamiento en el sector doméstico

• Los procesos domésticos presentan pérdidas normales entre 30% y 90% de la energía.

• La baja calidad de estos aparatos produce emisiones de gases tóxicos como monóxido de carbono (CO), metano (CH4) y otros productos de la combustión incompleta.

Deforestación

• El uso de la leña frecuentemente es visto como la causa principal de la deforestación. Aunque en algunas áreas el uso de la leña puede contribuir a la deforestación, ésta no es la causa principal. También la conversión de bosques en campos de cultivo tiene un papel importante. De hecho, se ha demostrado que en algunas zonas la comercialización de la leña brinda incentivos para la regeneración y protección del ambiente.

Deforestación

Estufas mejoradas

• Reducen el consumo de leña• Disminuye deforestación• Más eficientes• Las estufas mejoradas pueden brindar otros

beneficios además de la disminución del consumo de leña, como por ejemplo, conveniencia, reducción del humo, ahorro de tiempo, salud y seguridad, beneficiando particularmente a las mujeres.

Estufas mejoradas

Principales sistemas de pretratamiento para usos industriales

Recogida y tratamiento en campo

• Permite acceder a los residuos agrícolas o forestales.• Un método que puede permitir el aprovechamiento de

los residuos, incluso de aquellos de muy pequeño diámetro, puede ser el empleo de astilladoras móviles. Su objeto es convertir en astillas (árboles pequeños, restos de podas...) cuyo transporte en bruto no sería económicamente factible.

• El proceso en su conjunto consiste generalmente en las operaciones de corta, transporte y astillado.

Principales sistemas de pretratamiento para usos industriales

Plantas de tratamiento

• Estas instalaciones están orientadas al tratamiento final del producto resultante, de subproductos captados de pequeñas o medianas industrias y también de recortes de madera. No resulta recomendable el tratamiento directo en planta de ramas o árboles enteros de pequeñas dimensiones por la elevada incidencia del costo del transporte.

• Las características de la materia prima empleada, así como las que se deseen del producto final, condicionarán el proceso y el equipamiento. Además la planta de tratamiento tiene por finalidad regular el suministro, adaptando en el tiempo la producción y la demanda.

Principales sistemas de pretratamiento para usos industriales

• Las operaciones principales que se pueden llevar a cabo son:

 • a) Almacenamiento de materias primeras • b) Triturado• c) Molienda• d) Secado natural o forzado • e) Compactado• f) Almacenamiento de productos terminados

Principales sistemas de pretratamiento para usos industriales

Sistemas de aprovechamiento energético

Sistemas de aprovechamiento energético

• 1.- Combustible• 2.- Aire• 3.- Gases de combustión• 4.- Caldera• 5.- Sistema de depuración de gases• 6.- Filtro electroestático• 7.- Extractor• 8.- Chimenea

Aplicaciones en calderas

• Existe una gran variedad de tecnologías y procedimientos para incinerar la biomasa con múltiples variantes, pero una clasificación en la que se recogen los tipos más importantes puede ser:

• a) Hogares de parrilla horizontal fija• b) Hogares de parrilla inclinada fija• c) Hogares de parrilla móvil• d) Hogares de lecho fluidizado

Hogares de parrilla horizontal fija

Hogares de parrilla inclinada fija

Hogares de parrilla móvil

Hogares de lecho fluidizado

• Incidencia Medioambiental de la Combustión

Contaminación atmosférica

• Se entiende por contaminación atmosférica la presencia en el aire de sustancias y formas de energía que alteran la calidad del mismo, de modo que implique riesgos, daño o molestia grave para las personas y bienes de cualquier naturaleza.

• Puede ser natural o artificial

Contaminación atmosférica• La biomasa presenta el beneficio ambiental a escala

global del ahorro de recursos fósiles y de emisiones de CO2. Sin embargo la combustión de biomasa no está exenta de potenciales impactos ambientales a escala local y regional debido a:

• a) Emisiones atmosf de contaminantes: NOx, partículas sólidas, CO, SO2, metales pesados, dioxinas y furanos, etc

• b) Importante consumo de agua de proceso para el circuito de vapor.

• c) Vertidos de aguas de proceso• d) Generación de residuos sólidos (cenizas y escorias)• e) Impactos indirectos como los ocasionados por el

transporte de biomasa a la planta.

Contaminantes primarios de la biomasa

• Entendemos por contaminantes primarios aquellas sustancias contaminantes que son vertidas directamente a la atmósfera:

• a) Aerosoles (en los que se incluyen las partículas sedimentables y en suspensión y los humos)

• b) Óxidos de azufre (SOx)• c) Monóxido de carbono (CO)• d) Óxidos de nitrógeno (NOx); Hidrocarburos, COVS• e) Anhídrido carbónico (CO2)• f) Componentes orgánicos (dioxinas, furanos, etc.)• g) Partículas de metales pesados y ligeros como el

plomo, mercurio, cobre, zinc.

Contaminantes primarios de la biomasa

• Los óxidos de azufre, SO2 y SO3, son los agentes contaminantes más habituales en el aire. Proceden de la combustión de los combustibles utilizados en la industria y en la calefacción doméstica. El principal peligro que representan son las reacciones químicas a las que dan lugar en condiciones de humedad:

• SO2 + H2O H2SO3

• SO3 + H2O H2SO4

Contaminantes primarios de la biomasa

• los óxidos de nitrógeno reaccionan con el agua que existe en la atmósfera y dan lugar a dos sustancias ácidas:

• N2O5 + H2O HNO3

• N2O3 + H2O HNO2

• Todas estas sustancias ácidas forman la denominada “lluvia ácida”, que destruye bosques, lagos de escasa profundidad y monumentos.

Contaminantes primarios de la biomasa

• El dióxido de carbono se origina de la combustión de los compuestos orgánicos e incide en el recalentamiento de la atmósfera, fenómeno conocido como “efecto invernadero”.

Contaminantes secundarios de la biomasa

• Las principales alteraciones atmosféricas producidas por los contaminantes secundarios son:

• a) La contaminación fotoquímica

• b) La acidificación del medio

• c) La disminución de la capa de ozono

• d) El calentamiento global de la atmósfera

Relación entre fuentes emisoras,

contaminantes primarios y secundarios

Contaminación atmosférica

Límites de emisión atmosférica de las instalaciones de combustión

• La legislación en esta materia es específica para cada país,

• Es fundamental la consulta a la Administración pública competente para la determinación precisa de los límites de emisión atmosférica que son de aplicación para cada caso concreto, ya que estos pueden depender de

• a) Tipo de combustible utilizado• b) Ubicación geográfica de la instalación (País, región ) • c) Potencia (térmica o eléctrica) de la instalación • d) Condicionantes locales del emplazamiento• Las unidades en las que los valores máximos permitidos

de emisión atmosférica se expresan son ppm y mg/Nm3

Inmisión atmosférica

• Dispersión de contaminantes• La inmisión se define como la concentración

de contaminantes una vez emitidos, transportados y dispersados en la atmósfera.

• Las concentraciones de inmisión dependen de: a) Condiciones meteorológicas (temperatura, humedad, velocidad del viento)

• b) Condiciones de emisión (Temperatura de emisión, velocidad de emisión)

• c) Naturaleza química de los contaminantes (reactivos o no reactivos)

Emisión e inmisión de contaminantes

Aspectos Económicos delAprovechamiento Energético de Biomasa Mediante Combustión

Costos de explotación

• Se pueden distinguir dos situaciones diferentes según el origen del combustible. Por un lado aquellos establecimientos industriales que generan sus propios residuos y estos son suficientes como para contribuir de manera significativa al propio consumo térmico, y por otro lado aquellos casos en que el abastecimiento depende en gran medida de su compra al exterior.

Ingresos económicos de la actividad

• La utilización de biomasa con fines energéticos puede responder a:

• a) La obtención de energía con fines domésticos, comerciales o industriales en substitución del consumo de combustibles fósiles.

• b) La producción eléctrica a partir de biomasa, en el contexto favorable de las primas, ayudas y subvenciones a las energías renovables.

Justificación para la expansión del uso de la Bioenergía

• Agotamiento de las fuentes de energía fósiles a nivel mundial.

• Incremento creciente del precio del petróleo.• Incremento necesidades energéticas en el

mundo.• Nicaragua utiliza como fuente primaria de

energía recursos no renovables (petróleo)• Efecto Invernadero.• Dependencia energética.

Conclusión

• Las posibilidades de desarrollo de la tecnología de combustión de la biomasa depende de que el cultivo debe ser competitivo con otros cultivos, esto significa que sea económicamente atractivo para el productor, es necesario, además, profundizar el conocimiento sobre el potencial de los cultivos energéticos y su adaptación, no menos importantes son otros factores como el interés social, el medio ambiente y el establecimiento de políticas de gobierno que incentiven y convenzan al productor.

Muchas gracias