Introducción a los

Procesos de Combustión

Capítulo 2

Prof. Glenda Noboa

Semestre A-2015

¿Qué es la combustión?

Combustible

Com

bure

nte

O2

(Aire)

Gases CO2

H2O

CO

SO2

Combustión completa:

C + O2 CO2

S + O2 SO2

Combustión Incompleta:

C + ½ O2 CO

H2 + ½ O2 H2O

calor

¿Qué es la combustión?

¿Reacción Exotérmica??

Energ

ía d

e

form

ació

n

R

P

Avance de la reacción

HR = Hfproductos - Hfreactivos = (-)…

Libera calor !!! E

Energía de

Activación

¿Qué es la combustión?

Combustible

Com

bure

nte

O2

(Aire)

Gases CO2

H2O

CO

SO2

Combustión completa:

C + O2 CO2

Combustión Incompleta:

C + ½ O2 CO

H2 + ½ O2 H2O

calor

HR = (-)

Temperatura de

ignición

Objetivos de la Combustión…

Producir Energía Aprovechable

Obtener de dicha quema, gases como combustibles

secundarios :

Gasificación

Calderas

Hornos Intercambiadores Economizadores

Es importante considerar…

El contacto entre el combustible y el comburente • Sólido

• Líquido

• Gaseoso

Cantidad de aire empleado

Ventajas de combustibles líquido sobre sólidos: • Mayor Hc o PC

• Asegura mayor contacto con el O2

• No tiene cenizas (menos gasto de energía)

• No tiene “humedad”

Tipos de Combustibles…

Según su Orígen… Naturales Artificiales

Gaseosos:

Sólidos:

Líquidos:

Según su Estado…

• Madera

• Turba

• Carbón mineral

• Biomasa

• Coque

• Carbón vegetal

• Petróleo

• Fracciones de Petróleo

• Alquitrán

• Aceites vegetales y animales

• Gas natural de petróleo

• Gas de Pantano, Biogas (CH4)

• Gas de aire y gas azul

• Gas Carburado

• Gas Licuado (propano,

propileno, butano, butadieno)

Tabla I.- Rango de composiciones de carbones

Tipo % C %H % O % S % N

Madera

Turba

Lignito

Sub-bituminoso

Bituminoso

Antracita

49-50

50-64

50-75

82-89,5

91-92

92-96

6

4,7-6,8

4-8

4,6-5,6

3,8-4,1

3-4

43-44

28,6-44,1

12-37

3-15

2,2-2,5

2-4

0,5-1,5

0,5-1,0

0,5-1,0

< 0,5

0,5-1,5

0,5-1,5

0,5-1,5

< 1

Combustibles Sólidos… El Carbón

1. Formación del carbón: Proceso de carbonización

Clasificación según la ASTM

Estructura del Carbón

Análisis de Combustibles

sólidos. Carbón

2. Análisis:

Análisis Aproximado

(ASTM)

- Humedad: 1gr @ 105°C x 1h

- Materia Volátil: 1gr @ (950 20)°C x 7min

- Cenizas: 1gr (700-750)°C con ignición hasta

peso constante

- Carbono fijo: por diferencia de la masa inicial

Análisis Básico o

elemental

Reporta: C, H, O, S, N, cenizas y humedad

(el O, por diferencia)

Tabla 2.- Materia volátil

Tipo % volátil

Madera

Turba

Lignito

Sub-bituminoso

Bituminosos

Antracita

mas 50

mas 50

hasta 50%

20 a 30

5 a 10

menos 10

Tabla 3.- Poder calorífico superior.

Material seco

Tipo Kcal/Kg

Madera

Turba

Lignito

Sub-bituminoso

Bituminoso

Antracita

2500 a 3600

3000 a 4000

4500 a 5500

6500 a 8500

6500 a 8500

8500 a 9000

Análisis de Combustibles

sólidos.

3. Poder Calorífico: cantidad de energía que libera el

combustible, en base a: Tref: 25°C

C CO2

H2 H2O

S SO2

PC -Hc

Dependiendo del estado físico del agua final:

PCS H2O (líquido)

PCI H2O (vapor)

Análisis de Combustibles

sólidos.

4. Hidrógeno neto (H2): H2 total del combustible menos el H2 que

se combina con el O2 del combustible para formar agua

(combinada).

5. Agua Combinada: Es el agua que se forma al reaccionar el H2 con

O2 presentes en el combustible

6. Ecuación de Calderwood:

𝐶 = 5.88 + 0.00512(𝐵 − 40.5 ∗ 𝑆) ± 0,0053 80 − 100𝑀𝐶𝑉

𝐶𝐹

1.55

7. Ecuación de Dülong:

𝑃𝐶𝑆𝐵𝑡𝑢

𝑙𝑏= 14544 ∗ 𝐶 + 62028 𝐻 −

𝑂

8+ 4050 ∗ 𝑆

C = %p Carbono

B = PCS (Btu/lb)

S = %p S

CF= %carbono fijo

MCV = %volátiles

C, H, S = fracciones

en peso

Análisis de Combustibles

sólidos. Carbón

Análisis de los gases…

Análisis Orsat: (no reporta SOx ni H2O)

CO2

(NaOH)

O2 (Ac.

pirogálico)

CO

(CuCl)

2 variantes:

- Columna de Hg

en vez de NaOH

- Columna

adicional de PbO2

Aprovechamiento tecnológico

del carbón

Destilación o Pirólisis: se obtiene coque e

HC (gases y alquitrán)

Hidrogenación: Hidrocraqueo para obtener

HC de menor PM (líquidos)

Extracción de la materia carbonosa con

Solventes (éter, acetona, benceno,

anilina, fenol)

Gasificación.

Pirólisis del Carbón

Carbón Tritura y

tamiza

Horno

T : 900-

1000°C

Extracción

de alquitrán

(350-500°C)

Coque

Gas de

coque:

CO2

CO

O2

C2H4

CH4

H2

N2

Alquitrán

Destilación

300°C

Aceites

Brea

H2O

NH4OH

Aceite

Benceno

Gas

residual

Carbón

Aire

Vapor

CO2

CO

H2

CH4

N2

Cenizas

Alquitrán

Reacciones:

Gas pobre: C + O2 CO2 + 96000 cal

CO2 + C 2CO -40000 cal

2C + O2 2CO + 56000 cal Balance Exotérmico

En estas reacciones vemos que la T

juega un rol determinante, según el

equilibrio de Bouduard:

𝑘𝑝 =𝑃𝐶𝑂2

𝑃𝐶𝑂2

Log Kp = 9,1106 – (8841,7/T)

Reacciones:

Gas pobre: C + O2 CO2 + 96000 cal

CO2 + C 2CO -40000 cal

2C + O2 2CO + 56000 cal Proceso Exotérmico

Gas azul: (Gas de síntesis)

T > 900°C es:

C + H2O CO + H2 – 30000 cal

C + 2 H2O CO2 + H2

Proceso Endotérmico

Gas de productor: es obtenido por la reacción simultánea de aire y vapor.

C + O2 CO2 +96000 cal C + Aire CO2 + N2

CO2 + C 2CO -40000 cal

C + H2O < CO + H2 – 30000 cal

CO + H2O CO2 + H2 + 10000 cal

GNS C + 2H2 CH4

CO+ 3H2 CH4 + H2O

*

*

Lurgi

(1926)

H 8m

D 3-5m

Winkler

(1931)

H: 15m

D: 5-6m

Koppers-

Totzek

(1931)

H: 15m

D: 5-6m

*Lecho movible Lecho Fluidizado Lecho Arrastrado

Parámetros

Ceniza cae por gravedad.

Parrillas de distribución

mecánica

3 zonas: precalentamiento,

gasificación, combustión

Gradiente de T

Proceso de respuesta lenta

Lecho dispuesto en una o

varias zonas.

T y composición uniforme

a lo largo del lecho.

Proceso de respuesta

moderada.

Flujo de la suspensión

hacia arriba o hacia abajo.

Altas temperaturas y alta

velocidad.

Proceso de respuesta

rápida.

Ventajas

Alta eficiencia de

reacción.

Bajo arrastre de cenizas.

Baja T de operación.

Bajo requerimiento

Aire/oxígeno

Alto grado de uniformidad.

Excelente contacto gas-

sólido.

Tiempo de residencia

menor que el de lecho

móvil

Mayor rendimiento por

unidad de lecho

Maneja todo tipo de

carbón sin tratamiento

previo.

Bajo consumo de vapor.

Excelente contacto gas-

sólido.

No forma alquitrán.

Alta capacidad por unidad

de volumen.

Separa bien la ceniza

*Lecho movible Lecho Fluidizado Lecho Arrastrado

Desventajas

Requiere carbón de

tamaño específico.

Se debe tamizar para

separar finos del carbón.

Baja capacidad.

Baja T de salida del gas.

Produce alquitrán e HC

pesados.

Alto consumo de vapor.

Produce fenoles.

Requiere carbón de

tamaño específico.

El carbón debe estar bien

seco.

Requiere distribución del

gas más complicada.

Gran pérdida de carbón

con cenizas.

Sensible a las

características del

combustible

Requiere tamaño de

partículas < 200 mesh

Se requiere un control

estricto de la reacción

*