COMBUSTIBLES METALÚRGICOS

Combustibles

• Combustible es cualquier material capaz de liberar energía cuando se oxida de forma violenta con desprendimiento de calor.

• Combustible Metalúrgico, los combustibles metalúrgicos son las sustancias que se queman para suministrar calor para operaciones metalúrgicas.

• Pocos de los procesos unitarios de la metalurgia química son autógenos.

• La mayor parte consumen grandes cantidades de calor suministrado bien quemando combustibles o por medio de electricidad.

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Clasificación

1. Combustibles Renovables

Son combustibles provenientes de la biomasa

2. Combustibles No Renovables

Son aquellos combustibles de origen fósil: petróleo, carbón, gas natural y gas licuado del petróleo.

La mayoría de los combustibles utilizados en la actualidad son de origen fósil.

Desde el punto de vista de la industria, la industria metalúrgica es uno de los consumidores más grandes. Esto es especialmente cierto en lo referente al carbón de piedra. 3

Tipos de Combustión

1. Combustión completa:Toda combustión completa libera, como producto de la reacción, dióxido de carbono (CO2) y agua en estado de vapor (H2O); no importa cuál sea el combustible a quemar.

Combustible + O2 --------------- CO2 + H2O + energía (luz y calor)

1. Combustión incompleta:La combustión es incompleta cuando la cantidad de O2 no es suficiente para quemar de modo completo al combustible. Se forma monóxido de carbono (CO)

C6H14 + 4 O2 --------------- CO + 5 C + 7 H2O

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Clasificación de Combustibles Metalúrgicos

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En resumen, los principales combustibles empleados en los procesos metalúrgicos se clasifican la manera siguiente:

• Carbón mineral pulverizado

• Coque

• Combustibles gaseosos

• Petróleos

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Carbón mineral

• El carbón mineral se formó en la tierra por la acción prolongada de fuerzas y condiciones geológicas sobre acumulaciones de plantas y materia vegetal.

• Proceso de carbonificación, es como sigue:

madera > turba > lignito > carbón bituminoso (hulla) > carbón antracita >grafito

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Composición y constitución.

• Los carbones son sustancias extremadamente complejas.

• Esta complejidad es debida al origen vegetal del carbón.

Carbón pulverizado

• El carbón pulverizado se utiliza para el calentamiento de hornos de fusión de todas clases en plantas metalúrgicas.

• Una partícula de carbón de 200 mallas se quema de la misma manera que un trozo de carbón.

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• Se reconocen tres etapas consecutivas:

1. Primero, la partícula se seca y calienta hasta que ocurre la ignición.

2. En la segunda etapa, la materia volátil se separa por destilación y se quema.

3. Tercero, se quema el coque residual y el carbono fijo mediante una reacción gas-sólido.

• La combustión de las partículas menores a 200 mallas y más finas se completa en una fracción de segundo.

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Equipo y Almacenamiento

• El carbón pulverizado no puede ser almacenado de manera segura y conveniente por cualquier periodo de tiempo, deben tomarse precauciones para evitar acumulaciones accidentales de mezclas explosivas de aire y polvo de carbón en, y alrededor de, el equipo y edificios auxiliares a la instalación del quemador.

• El carbón, se quema en pulverizadores y quemadores, pero lleva demasiada humedad de manera que se deben incorporar instalaciones para el secado.

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• Los pulverizadores deben alimentar carbón con un 80 a 90% de tamaño menor a la malla 200 por largos periodos de tiempo sin interrupción mecánica.

• Se debe hacer un estrecho control de la velo-cidad de alimentación del carbón y de la relación aire-combustible para obtener una combustión eficiente.

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Coque

• El coque es un material poroso, de color gris metálico

• Es el producto sólido de la destilación del carbón bituminoso a una temperatura de 500 a 1200°C, sin presencia de aire

• La materia volátil en el carbón se escapa al aumentar la temperatura y se forma una matriz de carbón sólido, (carburación del carbón).

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Hornos de Coquificación - Horno de Colmena

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Hornos de Coquificación - Horno de Subproductos

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Análisis inmediato (o cuantitativo) (ASTM D-271) consiste de las determinaciones siguientes:

• Humedad (Hu): obtenida por secado de una muestra de un gramo durante una hora a 105°C.

• Materia volátil (MV): pérdida en peso de una muestra de un gramo calentada durante 7 min a 950°C en ausencia de aire, menos la humedad.

• Ceniza (Ce): residuo después de una combustión completa en la mufla a 700-750°C.

• Carbono fijo (CF): el porcentaje de carbono fijo es 100 menos la suma de los porcentajes de humedad, materia volátil y cenizas. 18

• Poder Calorífico: Para calcular el poder calorífico del carbón partiendo del análisis, se utiliza am-pliamente la fórmula de Dulong:

poder calorífico bajo (kg cal/kg o Ib cal/ Ib) =

81 C + 340 (H-(O/8) + 22 S -5.84 (9H + Hu)

o en unidades inglesas: poder calorífico bajo (Btu/lb) =

146 C + 610(H-(O/8)) + 40 S -10.5 (9H + Hu)

• En estas ecuaciones, C, H, O, S, y Hu (humedad del agua) representan los porcentajes de los diversos elementos y la humedad, se determinan por los procedimientos estándar. 19

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Combustibles gaseosos

• Los combustibles gaseosos son los más ventajosos de los combustibles: limpieza y ausencia de cenizas, facilidad de manejo, facilidad de control, flexibilidad, y buenas características de combustión.

• Algunos gases son subproductos de otras operaciones de la planta (alto horno, horno de coquizar, retorta de cinc, etc.).

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• La mayor parte de los gases son mezclas de diferentes combustibles gaseosos en distintas pro-porciones de un pequeño número de constituyentes comunes.

Combustibles:

• Hidrógeno (H2)

• Monóxido de carbono(CO)

• Metano (CH4)

• Etano (C2H6)

• Etileno (C2H4)

• Otros hidrocarburos

Diluyentes:

• Nitrógeno (N2), Dióxido de carbono (CO2) y Agua (H2O) 23

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Petróleo combustible

• Usualmente los petróleos combustibles son en costo un tanto mayor que el carbón, por Btu o valor calorífico, por sus características son más económicos

• Fácil manejo, almacenamiento, y transporte alre-dedor de la planta (en tuberías).

• Los petróleos combustibles poseen valores caloríficos más altos que otros combustibles comerciales, ya sea sobre la base de peso o de volumen. 26

Propiedades de los petróleos combustibles.

• Los petróleos combustibles se venden y compran sobre una base volumétrica, siendo la unidad estándar un galón norteamericano (3.7853 lt) medidos a 60°F (15.6°C). Un barril, o tambor, son 42 gal (158.983 lt).

• El peso específico se determina en grados API (Instituto Americano del Petróleo) con un hidrómetro marcado en forma especial. La unidad se define de la manera siguiente:

°API = (141.5 / p. especifico a 60° F) - 131.5

Ejemplo: el agua tiene como °API = 10.0° 27

• Otras propiedades de los petróleos com-bustibles:

• La viscosidad (ASTM D-88)

• Punto de fluidez (ASTM D-97)

• Punto de inflamación (ASTM D-93)

• Temperatura de destilación (ASTM D-158)

• Residuo de carbono (ASTM D-524).

Grados de petróleos combustibles.

• Para facilitar la compra, venta y uso de los petróleos combustibles, se han estandarizado los diversos grados sobre las bases dadas en la Tabla 4-8. 28

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Poder calorífico.

• Los petróleos combustibles de un grado determinado tienen todos sustancialmente el mismo valor calorífico, independientemente de su origen.

• La variación de un grado al otro es también relativamente pequeña. Los valores caloríficos en bruto se dan en Btu por libra o en Btu por galón (a 15.6°F).

Valor térmico bruto: Btu/lb

= 18 650 + 40 (°API - 10)

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Quemadores de petróleo.

• Al quemar combustibles líquidos, la reacción real de la combustión es entre el vapor del com-bustible y el aire.

• La vaporización puede hacerse satis-factoriamente dentro del quemador, la disposición en los quemadores industriales implica la atomización del petróleo en el quemador de manera que la vaporización ocurra tan rápidamente como las finas gotas de pe-tróleo son rociadas dentro de la cámara de combustión.

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Combustión

Estequiometría de la combustión

• El inicio del estudio de los problemas de la combustión es la preparación del balance de materiales y análisis de combustible, aire y gases de la combustión.

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• En algunos procesos metalúrgicos, el intercambio de elementos entre los productos de la combustión y los materiales en proceso es lo bastante pequeño y pueden ser ignorado en los cálculos de la combustión.

• Para procesos con un intercambio de materiales apreciable entre los productos de la combustión y la carga, se deben modificar los cálculos de la combustión.

• Es mejor tratar a la combustión como un sistema separado en lugar de calcular un solo balance de materiales para los procesos de combustión y metalúrgico combinados. 34

Balances:

• Balance del carbono. El análisis Orsat nos da por volumen el % de CO y el % de CO2, en los gases de la combustión sobre una base seca.

C en el combustible = C en los gases de la combustión

• Balance del nitrógeno. Al quemar combustibles de bajo nitrógeno, todo el nitrógeno entra con el aire y sale en los gases de la combustión.

N2 en el aire = N2 en los gases de la combustión

• El cálculo del balance del carbono se halla del gas de combustión, el consumo de aire puede hallarse por el balance del nitrógeno.

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• El consumo de aire se expresa como porcentaje de aire teórico, basado en la suposición de la combustión completa del combustible a CO2, H2O, SO2, etc.

• Para una combustión eficiente, se ajusta el aire para que sea un poco mayor que el teórico y el porcentaje de aire en exceso es

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• Balance del oxígeno.

• El análisis Orsat da la composición del gas sobre una base seca, por lo que se necesita una medición o cálculo independiente para obtener la cantidad de agua en los gases de la combustión y para contar con todo el H y el O.

• Para el balance del oxígeno, debe tomarse en cuenta el oxígeno introducido como humedad en el aire o como CO2, H2O, o cualquier otro compuesto procedente de la carga del horno.

Balance del hidrógeno.

• El balance del hidrógeno puede ser utilizado para hallar el % de H2O en los gases de la combustión.

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Temperatura adiabática de la llama (TALL).

• Es la temperatura máxima teóricamente obtenible al quemar una mezcla de combustible y aire bajo determinadas condiciones, cuando ésta se realiza adiabáticamente.

• Un proceso adiabático es en donde el sistema no gana ni pierde calor de los alrededores.

• El balance térmico a presión constante, la pérdida de calor a los alrededores es nula para un proceso adiabático, por lo que:

calor sensible en los productos de la combustión = calor sensible en el combustible y aire + calor de la combustión 39

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• Esto es, para la combustión adiabática,

(𝐻𝑇−𝐻298) para productos de la combustión = (𝐻𝑇 −𝐻298) para combustible y aire — ∑∆𝐻298para todas las reacciones de la combustión.

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