Fuentes de Energia No Renovable el Carbón 1

8/3/2019 Fuentes de Energia No Renovable el Carbn 1

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Tecnologa Energtica Fuentes de energa no renovables (I) EL CARBN

Capitulo 3 Fuentes de energa no renovables (I)

El carbn

3.1 LOS COMBUSTIBLES FOSILES

En el capitulo 1 se ha tratado el tema del consumo de energa primaria mundial segn lasdistintas fuentes de energa primaria. All, se sealo que el 39,7% de la energa primaria se obtiene del petrleo, el 23,1% del gas natural y el 27,2% del carbn. Esto implica que el 90% de las necesidadesmundiales de produccin de energa se cubren a partir de transformaciones energticas basadas en los

combustibles fsiles. La energa nuclear cubre el 7,3% de la demanda mundial y la hidroelctrica el2,7%.

Estos datos de partida nos indican que el conocimiento de los procesos de transformacin(generalmente por combustin) de la energa qumica de los combustibles en calor y posteriormente entrabajo (generalmente a partir de ciclos termodinmicos) son procesos fundamentales para entender lasnecesidades energticas del mundo actual y la tecnologa energtica en todos sus aspectos: diseo,mejora y evaluacin econmica de procesos y su impacto medioambiental.

Sin embargo, considerar como fuentes de energa unidamente los combustibles fsiles es unavisin demasiado restringida que propicia una visin muy parcial del problema del uso de la energaen el mundo actual.

En primer lugar, una parte importante de los combustibles fsiles y todos los combustiblesnucleares se utilizan para la produccin de energa elctrica. Esto supone que a la hora de calcular costes de produccin o de operacin de una cierta actividad, industrial o comercial, el consumo deenerga elctrica tiene gran importancia, independientemente de cmo se haya generado esta energa.

Por otra parte, aunque el uso de energas renovables es muy pequeo a nivel mundial en laactualidad, la preocupacin social por el medioambiente, as como el encarecimiento y el agotamientode importantes recursos fsiles, ha favorecido el diseo de medidas polticas y econmicas encaminadas a aumentar la cuota de las energas renovables en el consumo de energa primaria a nivelmundial en general y de los pases de la UE en particular.

Otro problema a favor de la potenciacin de las energas renovables es el problema delautoabastecimiento energtico. Actualmente, Espaa se auto abastece con apenas el 30% de la energaque consume.


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Los combustibles fsiles se originan por la fosilizacin de compuestos de carbono. Estoscompuestos, de formula qumica Cx(H2O)y, fueron producidos por plantas vivas en el proceso de lafotosntesis, convirtiendo as la energa solar en energa qumica:

CO2 + H2O + luz solar Cx(H2O)y + O2

La mayor parte de los combustibles fsiles se originaron durante el periodo carbonfero de la era paleozoica, hace unos 325 millones de aos. Por efecto de las altas presiones y el calor, en ausencia deoxigeno, se transformaron en compuestos de hidrogeno y carbono, con formula qumica general CxHy,aunque en algunos casos existen fracciones significativas de otros elementos, principalmente O, N, S,adems de agua y materia mineral incombustible en el caso del carbn. Segn el proceso detransformacin, el combustible fsil generado puede encontrarse en estado slido (carbn), lquido(petrleo) o gas (gas natural).

Antes de describir las propiedades generales que caracterizan a los combustibles fsiles para suuso energtico, vamos a repasar el concepto de combustible y la clasificacin de estos.

Se denominacombustible , a cualquier sustancia que reacciona qumicamente con un agenteoxidante para obtener fundamentalmente energa en forma de calor. Esta definicin no incluye a loscombustibles nucleares cuyo fundamento para la obtencin de calor obedece a otras causas.

Segn sea el estado fsico de esas sustancias, los combustibles se clasifican en slidos , lquidos y gaseosos . Por su origen, se clasifican ennaturales y artificiales . Los combustibles (no nucleares) se

clasifican de forma global como se muestra en la pgina siguiente.

En el caso del carbn, existen numerosos sistemas de clasificacin segn diferentes tipos de propiedades qumicas y fsicas todava sin definir. Por ello, se expondr en un apartado posterior unade las clasificaciones ms utilizadas a nivel industrial, la norma ASTM D 388-92a.

Los combustibles contienen energa en forma acumulada, y esta energa se libera durante lareaccin qumica (denominada combustin) con el agente oxidante, manifestndose como energatrmica. La energa trmica tambin se libera durante las reacciones nucleares, cuando el ncleo de un

elemento pesado como el uranio o el plutonio es bombardeado en un reactor nuclear por neutronesgeneralmente lentos. La fisin del ncleo a fragmentos ms pequeos est acompaada por un defectode masa que se manifiesta como energa trmica. Al material que contiene el elemento pesado amenudo se le conoce como el combustible nuclear, aunque no ocurra reaccin qumica alguna en el proceso.


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SLIDOS | Naturales |Carbones | Antracitas: contienen del 86 al 92% de carbono fijo (CF) con

| | | Pcs=31.500 kJ/kg aprox., arde con llama corta amarilla| | | que cambia a azul cuando se consumen los voltiles.| | |Hulla bituminosa:impregnada en betn. CF entre 60 y 86%| | | Pcs = 27.000-34.000 kJ/kg, humedad libre > 4%| | |Hulla subbituminosa: CF de 30 a 40%. Pcs=19.000-32.000 .| | |Lignitos: Pcs< 20.000 kJ/kg| | |Turbas: poco usadas por su elevada humedad y bajo Pcs.| | |Grafitos: no se usan por ser difcilmente inflamables.| | Alquitraneso betunes: Pcs de 38.000 a 42.000.| | Maderas: Pc de 8.000 a 17.000 kJ/kg. Recin cortada w=60%;seca w=20%

| | Pcs, y la inflamabilidad dependen del contenido en resinas, gomas| | y aceites.| | Vegetales secos|| Fabricados |Aglomeradosde hulla y lignitos (briquetas) Pcs=20.000-38.000 kJ/kg.| | Coque:es el residuo de la destilacin seca de hullas: puede ser coque de| | gas o coque de alto horno, segn su origen.| | Carbn vegetal| | Breas de hullao de petrleo: empleadas ms bien en usos industriales.| | Residuos slidosindustriales y urbanos: Pcs de 800 a 4.000 kJ/kg.

LQUIDOS | Naturales |Petrleos y aceites minerales:ligeros o pesados segn densidad.|| Fabricados |Naftas, gasolinas, gasoil, fuel-oil, queroseno.| | Residuos lquidos industrialeslejas negras, aceites y disolventes| | usados y mezclados| | Biocombustibles

GASES | Natural | Gas natural (GN): metano con algo de etano, propano, aire, vapor de| | agua y otros gases.|Fabricados | Gas de alto horno: Principalmente CO.| | Gas de gasgeno:Pcs de 3.300 a 9.600 kJ/m3 | | Gas de coque:Pcs similar | | Gas de refinera (GLP):se comercializan separadamente etano, propano,| | butano y aire propanado.

| | Residuos industriales y urbanos: principalmente metano.


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3.2 PROPIEDADES Y CARACTERSTICAS DE LOS COMBUSTIBLES FOSILES

De la definicin dada en 3.1 de combustible, se desprende que la propiedad fundamental de lassustancias combustibles es su poder calorfico, es decir, la cantidad de energa liberada en forma decalor que puede desarrollarse por la combustin de la unidad de combustible (1 kg., 1 m3, etc.).Precisamente esta propiedad permite expresar las cantidades de energa en unidades equivalentes decombustible. En el cuadro siguiente se presenta una relacin de distintas unidades energticas,expresando su equivalencia en julios

Factor de conversin aSmbolo Unidad kJ kcal

quad Quad = 1015BTU 1,055.1015

MWa Megavatios ao 3,1536.1010 7,532.109 tep Tonelada equivalente de petrleo 4,1868.107 10.106

m3

petrleo Metro cbico de petrleo 3,7.107 tec Tonelada equivalente de carbn 2,9302.107 7.106

bbl Barril equivalente de petrleo 5,9.106 tet Tonelada equivalente de trilita 4,2.106 GJ Gigajulio 1,00.106 238.845,9

th = therm 100.000 BTU 1,055.105 25.198m3 g.n. Metro cbico equivalente de gas natural 3,6.104 8.600

te = termia Termia 1.000 4.186,8 1.000kWh Kilovatio-hora 3.600 860CV-h Caballo de vapor-hora (francs) 2.648 632,46HP-h Caballo de vapor-hora (britnico) 2.685 641,30

cf Pie cbico equivalente de gas natural 1.055 251,982kcal Kilocalora 4,1868 1BTUkJ

British Thermal UnitKilojulio

1,0551

0,251980,2388

Unidades energticas habituales y sus equivalencias en kJ y kcal segn SI

Dado que normalmente los combustibles se compran de acuerdo con unas especificaciones quelimitan sus propiedades, es necesario conocer al detalle stas, con objeto de comprobar que secumplen las especificaciones indicadas por el suministrador.

Las propiedades ms relevantes de los combustibles son: lacomposicin (y contenido deimpurezas), laentalpa estndar de reaccin (usualmente llamada poder calorfico, en valor absoluto);la densidad, viscosidad y coeficiente de dilatacin (para almacenamiento y transporte); la entalpa devaporizacin (conviene que sea baja); la presin de vapor (conviene que sea alta para que no haya quegasificar artificialmente); loslimites de ignicin (por chispa),autoinflamacin y extincin , la toxicidady la compatibilidad con otros materiales (tubos, juntas, vlvulas, bombas, etc.).

En los carbones es importante la granulometra y el contenido de humedad y cenizas. El fuel-oilhay que precalentarlo para que fluya bien y se atomice mejor. En ambos casos, el contenido de azufre

puede hacer inservible el combustible, por los problemas de contaminacin. El manejo de los GLPrequiere depsitos a presin y es caro, y al ser su densidad mayor que la del aire requiere ventilacin


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de seguridad, aunque su uso es muy limpio y no contamina. El gas natural no es cmodo de almacenar (depsitos criognicos) y hay que canalizarlo (gran coste de infraestructura)

A continuacin vamos a tratar el estudio de algunas de las propiedades y caractersticasfundamentales de los combustibles, debiendo destacarse que segn el tipo de combustible unas u otrastendrn mayor importancia, como es el caso de la viscosidad, fundamental para combustibles lquidosy de poca importancia para combustibles gaseosos. Por ello estudiaremos por separado las propiedadesy caractersticas de los combustibles slidos, lquidos y gaseosos.

3.3. PROPIEDADES Y CARACTERSTICAS DE LOS COMBUSTIBLES SLIDOSEl carbn (con sus variantes), la madera (biomasa), los residuos slidos, etc. son representantes

tpicos de combustibles slidos.

Aunque el carbn desempe en su da un papel primordial entre todos los combustibles, hoy enda ha sido desplazado por los combustibles lquidos y gaseosos. Sin embargo, como las reservas decarbn siguen siendo las ms importantes de todos los combustibles (con excepcin de los nucleares),van cobrando importancia las nuevas tecnologas de hidrogenacin y gasificacin, que permitenobtener combustibles lquidos y gaseosos a partir de aquella forma slida. Por todo ello, dentro de loscombustibles slidos se har fundamentalmente referencia al carbn, debido al limitado mercado delos dems.

En Espaa se queman antracitas en las centrales termoelctricas de Anllares y Narcea. Sequeman lignitos en Puentes, Meirama, Escatrn y Andorra. En las restantes se queman hullas,combustibles lquidos y/o gas natural, que tambin se va aadiendo a alguna de las citadas en primer lugar.

Los carbones tambin se clasifican por el tamao , segn:

- todo uno: mezcla segn llega de la mina- galletade 22 a 45 mm- galletillade 12 a 22 mm- granza, de 10 a 12 mm- grancilla, de 6 a 10 mm- menudos< 6 mm.

3.3.1 Anlisis de combustibles

Los combustibles industriales contienenelementos combustibles : carbono, hidrgeno y azufre; ymaterias no combustibles (agua, silicatos, caliza, yesos y nitrgeno, principalmente). Los elementos

combustibles se queman; los no combustibles se funden o pulverizan quedando despus de lacombustin una parte como cenizas y escorias en el lugar donde se verific la combustin, y otra parte


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acompaando a los humos en forma de cenizas volantes. En particular, el agua existente y la formadaen la combustin, se evaporan y acompaan a los dems gases productos de combustin,constituyendo lo que se denomina comohumos, que consisten, principalmente, en vapor de agua,monxido de carbono, anhdrido carbnico y xidos de azufre y de nitrgeno, que arrastran las cenizas

ms finamente pulverizadas. La utilidad de un combustible depende de varias caractersticas que seconocen comopropiedades del combustible.

3.3.1.1 Anlisis elemental

La primera propiedad que interesa es elcontenido en elementos combustibles . Estos sedeterminan por elanlisis qumico del combustible , que entonces se llamaanlisis elemental,obtenindose el contenido en peso de cada distinto elemento qumico que entra en la composicin delcombustible.

Como en todo caso no tiene inters conocer el contenido individualizado de elementos nocombustibles, estos se determinan en bloques como sigue:

Humedad

El agua est presente siempre en el carbn, as, puede constituir un contenido superficialadquirido en el lavado, transporte y almacenamiento, o puede permanecer ocluida en los poros ocombinada qumicamente. La humedad contenida en un combustible slido como el carbn, puede

considerarse integrada por dos tipos diferentes- Primera fraccin de humedad ohumedad libre. Es el agua superficial retenida por las fuerzas de

tensin superficial que empapa la masa del combustible, tambien denominadahumedad libre,superficialo aadida, desaparece mediante secado al aire a la temperatura ambiente ( 45C), enun local seco y ventilado

- Segunda fraccin de humedad ohumedad intersticial, higroscpica,tambin llamadahumedaden los poros. Es el agua retenida en los poros, o contenida en el combustible en equilibrio con la

humedad del aire ambiente, o que forman parte de la estructura slido-cristalina del combustible,que no se evapora mediante secado al aire ambiente y es necesaria una temperatura algo mayor (entre 105-110C) para eliminarla.

En algunos carbones, ciertas prdidas de peso entre 100 y 185 C se deben a la prdida deagua dehidratacin (combinada). El secado a altas temperaturas debe realizarse en atmsfera de N2 paraevitar la autocombustin del carbn.

Cenizas, donde se agrupan todos los dems materiales no combustibles, distintos del agua.


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Expresin de los resultados de un anlisis en distintas bases

La mayora de las determinaciones de un anlisis se realizan en el laboratorio secando lamuestra hasta su equilibrio con la atmsfera del laboratorio. En estas condiciones los resultados se danen base seca (referida a are seco). En el Anexo Cuadro 3.1 se presenta un formato estndar delresultado del anlisis de un suministro de carbn.

En ciertos casos segn donde se tomen las muestras para el anlisis puede resultar msconveniente y significativo expresar los resultados en fracciones msicas (y) corrigiendo a otras bases,es decir, lostipos de anlisispueden ser:

Referido acomo se recibe, (y), o sea con toda su humedad libre

Referido acomo se quema, (y),o sea en la situacin en que se toma el combustible del parque o losdepsitos para llevarlo a la caldera, normalmente con menos humedad que como se recibe.

Referido abase seca, (y),o sea habiendo eliminado toda la humedad libre

Referido a basesin cenizas, (ya), o sea descontando la materia mineral incombustible

Referido amaterial combustible, (y),o sea despus de retirar toda la humedad y las cenizas

As se determinan, adems dec, h, s, n y o, las cenizas (a) y la humedad libre (w).

Luego, en el anlisis de un combustible se cumple (en tanto por uno en peso o fraccin msica):

c + h + s + n + o + a + w = 1 (3.1)

El anlisis de combustible seco, es decir, sin humedad, w, resultar:

c' + h' + s' + n' + o' + a' = 1 (3.2)

y el anlisis de material combustible, es decir, sin humedad y si cenizas, dar el resultado:

c" + h" + s" + n'' + o'' = 1 (3.3)

Para aproximar ms la realidad de la combustin industrial se introdujo el concepto demateria mineral agrupando el material que no va arder y para lo que se harn las correcciones apropiadassobre el resultado del anlisis elemental. Lafrmula de Parr dice:

Materia mineral = w + 1,08 a + 0,55 s (3.4)

Las relaciones entre las fracciones msicas (y = c, h, s, n, o, a, w) calculadas con las distintas bases pueden obtenerse como sigue:

y =w1

y

ya =a1

y

y =aw1

y

(3.5)

El procedimiento para la realizacin del anlisis elemental est normalizado, debindose poner

especial atencin a la trituracin previa de la muestra, para asegurar la representatividad de la muestraanalizada. As pues, en el anlisis elemental determinaremos adems de la humedad y cenizas, elcontenido en peso de cada elemento qumico que entra en la composicin, como:


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Carbono total (ISO 625-1975). El carbono procede de la sustancia orgnica y de los carbonatosminerales. Ser la suma del carbono fijo y del contenido en las materias voltiles (conceptos quedesarrollaremos al describir el anlisis inmediato de un carbn). El carbono fijo, o carbono sincombinar, es el que no destila cuando se calienta un carbn.

Hidrgeno (ISO 625-1975). El hidrgeno est presente en la sustancia orgnica en forma dehumedad y agua de hidratacin o de constitucin de los silicatos de la materia mineral. El anlisisqumico descompone el agua en hidrgeno y oxigeno.

Azufre (UNE 32-008 y 32-009). La mayora de los carbones contendrn azufre, que nicamente puede determinarse por anlisis qumico. El azufre est presente en tres formas; como pirita omarcasita, como compuestos sulfurados orgnicos o como sulfatos inorgnicos. La presencia delazufre en forma de pirita ocasionar problemas en la molienda del carbn, dada la abrasividad de

sta. El azufre slo tiene su plena potencia calorfica cuando se encuentra en estado libre. En porcentajes elevados podr formar escorias muy perjudiciales. Durante la combustin, el azufrecomo impureza forma xidos, que corroen piezas de hornos y calderas, siendo adems muycontaminantes sus emisiones a la atmsfera.

Nitrgeno(UNE 32-013). El nitrgeno se encuentra en todos los carbones, ligado a combinacionesorgnicas, en pequeos porcentajes. Al ser inerte no produce ningn efecto perjudicial, excepto queobliga en su manipulacin a gastar energa. Al igual que las cenizas, disminuye la cantidad de

energa disponible por unidad de masa de combustible. Oxgeno. El contenido en oxgeno se estima por diferencia a 100 de la suma de carbono,

hidrgeno, nitrgeno, azufre total y cenizas corregidas exentas de azufre. El oxgeno rebaja la potencia calorfica del combustible, aunque contribuye a las necesidades del aire de combustin.

El resultado del anlisis elemental se presenta p.ej., de la siguiente forma:

Anlisis elemental Muestra seca%

Carbn puro%

Carbono 83,46 85,86

Hidrgeno 4,73 4,59

Nitrgeno 1,55 1,59

Azufre total 0,58 0,59

Ceniza 2,80 -

Oxigeno 6,88 7,08

Total 100,0 99,71


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3.3.1.2 Anlisis inmediato de un combustible slido

Si bien actualmente, muchos laboratorios disponen de modernos y caros equipos de laboratorioque realizan el anlisis elemental de forma fcil y rpida, es frecuente en la practica, cuando no sedisponen de estos equipos, realizar este solamente a largos intervalos y el anlisis de los combustiblesslidos que se realiza de forma continuada es otro anlisis simplificado que se conoce en la industriacomoanlisis inmediato.

Este anlisis consiste en separar:- lahumedad total, wt,- el contenido en combustibles voltiles, V, que es la masa de materiales combustibles que se

gasifica en el calentamiento previo a la combustin (principalmente monxido de carbono),- el carbono fijo, CF, que es la masa de materiales combustibles que queda en forma slida

hasta la combustin, y- lascenizas, a

cumplindose que: wt + V + CF + a = 1 (3.6)

Naturalmente se ve que las definiciones de cada uno de estos componentes son indeterminadas, por lo que es preciso normalizar su proceso de determinacin para que este anlisis sea repetitivo ytenga un valor industrial.

En Espaa existen las siguientes normas relativas a estos procedimientos:

- Norma UNE 32-102. Partes 1 y 2. Lignitos duros, hullas y antracitas. Toma y preparacin demuestras.

- Norma UNE 32-001. Hulla y antracita. Determinacin de la humedad total.- Norma UNE 32-019. Combustibles minerales slidos. Determinacin del contenido en material

voltil.- Norma UNE 32-004. Determinacin de las cenizas.

En resumen, las normas consisten en limitar de alguna forma el proceso de separacin de cadafraccin. Habitualmente se proceder, como sigue:

1) Humedad libre.Es la disminucin de peso de la muestra colocada en el interior de un horno oestufa de secado durante un tiempo fijado y a temperatura no superior a 45C. Se supone que lonico que se volatiliza es la humedad libre que se evapora en su totalidad.

2) Humedad higroscpica.Es la disminucin en peso de la muestra mantenida entre 105-110Cdurante un tiempo de 100 a 150 minutos. La suposicin hecha es similar a la anterior.

Por tanto, para la determinacin del contenido de humedad de un combustible, se proceder:Se secar primeramente una masa m al aire o en estufa, a continuacin se pesar para obtener la

humedad superficial. Para obtener la humedad en los poros, se secar seguidamente en la estufa desecado, quedando una masa m1 de combustible seco. La suma de las masas perdidas, ambas

referidas a la masa m ser la humedad total,wt.

wt = Humedad total =m - m1

m (3.7)


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3) Voltiles.Es la prdida de peso que experimenta una muestra seca, m1 al calentarla en ausencia deloxgeno en un horno, durante 7 minutos a 925 C . La prdida en peso se obtiene despus de enfriadala muestra y el porcentaje en voltiles se calcula teniendo en cuenta la humedad original del carbn.

Se determina, por tanto, sometiendo al combustible seco a un proceso de pirlisis, mediante elcual se desprenden las materias voltiles y quedando un residuo slido, de masa m2, que recibe elnombre de coque.

V = ndice de materias voltiles =m1 - m2

m (3.8)

Las materas voltiles estn constituidas por combinaciones de carbono, hidrgeno y otros gases

Del contenido en materia voltil depende:

- La velocidad de combustin de un carbn pulverizado, ya que en un combustible rico en voltiles,stos se desprenden rpidamente, produciendo una disminucin de masa y formndose alquitranes ygases que arden rpidamente, por tanto deben esperarse menores inquemados, mientras que los pobres en voltiles arden despacio.

- Lalongitud de la llama , siendo tanto ms larga cuanto mayor sea dicho contenido.

- El tamao de partcula adecuado para la combustin pues podr ser mayor cuanto mayor sea el porcentaje de voltiles.

En principio se podra esperar un aumento del poder calorfico con un incremento en elcontenido en voltiles. Esto sucede hasta un contenido en voltiles del 20 % aproximadamente. Paracontenidos ms elevados el poder calorfico decrece, debido a que una parte de las materias voltilesest formada por combinaciones de oxgeno y nitrgeno no combustibles.

4) Cenizas.Es el peso del resto de masa (m3) despus de incinerar el residuo (el coque) de3) a 825C,temperatura a la que los carbonatos se han descompuesto y el yeso no. Se define as un contenido encenizas fijas inferior al contenido real en minerales no combustibles del carbn bruto, y tambindistinto del residuo resultante en las condiciones reales de utilizacin ocontenido de cenizas

efectivo.

5) Carbono fijo.Es el resto de peso de la muestra. Es decir, la fraccin residual del carbn pirolizado para obtener las materias voltiles, despus de descontadas las cenizas,

Se determinar quemando el coque obtenido en la determinacin de voltiles, con lo que quedaun residuo incombustible m3 que son las cenizas

CF = Carbono fijo =m2 - m3

m (3.9)


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El horno para efectuar estos ensayos ser de mufla, elctrico, cerrado o con salida de humos.Las muestras de 1 o 2 gramos, segn la norma a aplicar, se ensayan en crisoles o cpsulasnormalizadas.

Adems, debido a su inters medioambiental en la mayora de los anlisis inmediatos tambinse suministra el contenido en azufre del carbn

3.3.2 Poder calorfico de un carbn

El poder calorfico, representa la caracterstica ms importante en la seleccin y utilizacin deun combustible.

La energa liberada en las reacciones (combustin) de oxidacin (muy exotrmica) de unaunidad de combustible (masa para combustibles slidos o lquidos y volumen, en c.n., para

combustibles gaseosos) se incorpora a los productos de la reaccin en forma de energa trmica,elevando fuertemente su temperatura. Con instrumentos llamadoscalormetros, se puede medir laenerga trmica que es preciso retirar a presin constante de los productos de la combustin paraconseguir que recuperen la temperatura que tenan inicialmente el combustible y el oxgeno con el quese oxido. Esta energa trmica se llamapoder calorfico del combustible, Pc.

Al determinar el poder calorfico de un combustible en un calormetro y llevar los productos dela combustin a condiciones normales (0C, 760 mm.Hg ), puede observarse que el vapor de aguacontenido en los humos condensa sobre las paredes del calormetro, cediendo 597,2 kcal/kg. (2500kJ/kg.), calor que se suma al calor producido en la reaccin de combustin, esta suma recibe el nombrede poder calorfico superiordel combustible,Pcs., que se define pues, como la energa liberada en lacombustin cuando el combustible y comburentes estn inicialmente a 0C y hasta que los productosde la combustin recuperan esta temperatura de 0C.

En la practica industrial no resulta aconsejable tomar energa trmica de los humos producto dela combustin cuando su temperatura baja de unos 150C, pues el gradiente de temperaturas resulta pequeo para que la transmisin de calor (en estos casos por conduccin y conveccin) tenga lugar de

forma econmica y rpida, consiguindose adems no bajar hasta el punto de rocio acido.

El valor del Pcs disminuido en esa cantidad de energa trmica no recuperable industrialmente(cuantificada fundamentalmente por el calor de condensacin del vapor de agua) tiene utilizacintcnica y se denominapoder calorfico inferior, Pci del combustible

La diferencia entre Pcs y Pci no es muy significativa en el caso del C o S. Con un calor especifico de 840 J/kg.K para el CO2, o de 630 J/kg.K para el SO2, el salto de 125C representasolamente 100 u 80 kJ/kg de humos respectivamente. En cambio en el caso del H2 la diferencia es muy

importante porque el vapor de agua resultante de la combustin, con un valor para c p de 1,9 kJ/kg.K adems se condensa entre los 150C y los 25C, entregando al medio ambiente unos 2260 kJ/kg de


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humos, a presiones alrededor de una atmsfera. Y como por kg de H2 resultan 9 kg de vapor de agua,la diferencia entre los Pcs y Pci resulta finalmente de alrededor de 22.500 kJ/kg de H2.

Existen diversosmtodos de determinacin del poder calorfico, mtodos que pueden ser clasificados en analticos, aproximados o experimentales.

La aplicacin de los mtodos analticos, requiere el conocimiento de la composicin elementaldel combustible, as como de los calores de reaccin de sus componentes, y mediante consideracionesqumicas bsicas pueden obtenerse fcilmente los valores de los Pcs y Pci, debiendo tener muy presente para el clculo que todo el oxgeno del combustible se considera unido al hidrgeno en formade agua en estado lquido, que recibe el nombre deagua de constitucin.

Existen una serie defrmulas empricaspara determinar el poder calorfico de un carbn, a lasque se atribuye un error no superior al 1,5 % y que estn basadas en el anlisis elemental delcombustible, referido a base seca.

La ms conocida es la del fsico francsDulong(1785-1838) quien estableci un procedimientosencillo para determinar el Pcs de un combustible, sentando que las energas liberadas por losdistintos elementos simples que componen el combustible se adicionan linealmente.

Pcs = 33900 c + 143000 ( h - o/8 ) + 10500 skJ/kg de combustible tcsq (3.10)

en la que c, h, o y s representan el tanto por uno en masa de C, H2, O2 y S respectivamente presente enel combustible, como resulta de su anlisis qumico. El termino (h-o/8) representa solamente elhidrgeno libre, o sea el que no est en el combustible ya oxidado, formando agua.

La formula de Dulong fue establecida para el carbn y considera que todo el O2 est formandoagua. Los coeficientes tomados se corresponden con los valores que se admitan cuando Dulongestableci la formula en el siglo pasado. Se emplea con buena aproximacin para cualquier combustible (gas, liquido o slido) siempre que con un anlisis qumico se pueda determinar sucomposicin.

A partir de Pcs se puede calcular el Pci restando el calor de condensacin y enfriamiento del

agua contenida en los humos que, como se ha visto, es la nica energa a tener en cuenta. As seobtiene:

Pci = Pcs - 2500. wtH = Pcs - 2500 (9h +w) kJ/kg combustible tcsq (3.11)siendo wtH =(9h + w) = contenido en vapor de agua de los humos en forma de humedad total ,expresado como kg de agua en los humos por kg de combustible tcsq ; w = humedad libre o superficialdel combustible (la que se elimina por secado al aire a temperatura ambiente) en tanto por uno en peso, y se ha tomado el valor de 2500 kJ/kg para aproximar el calor de condensacin y enfriamiento

del agua a temperaturas prximas a 0C.


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Debe tenerse en cuenta adems, que si los humos salen de la instalacin a temperatura distinta ysuperior a 0C, es evidente que estos humos se llevan parte del calor generado en la combustin,dependiendo la cuanta de esta parte, del calor especifico, masa y temperatura de cada uno de los productos de la combustin, por lo que si se descuenta al Pci el calor sensible de los humos quedar la

cantidad de calor til que realmente puede ser utilizada.

Tambin puede utilizarse directamente laformula derivada de Dulong:

Pci = 33100 c + 120600 ( h - o/8 ) + 9600 s - 2500 wtH kJ/kg combustible tcsq (3.12)

donde wtH = (9h + w) = contenido en vapor de agua de los humos en forma de humedad total ,expresado como kg de agua en los humos por kg de combustible, se ha supuesto que los humos seabandonan alrededor de unos 100C y se tiene en cuenta la condensacin de la humedad delcombustible

La frmula de Dulong da buenas aproximaciones con bajos contenidos en materialvoltiles. Para carbn con contenidos medios y altos de material voltiles se emplea lafrmula de Vondracek (I):

Pcs'' = [ 32900+3700(1 - c'' )1/4] c''+90000 (h'' - 0,1 o" )+10500s" (3.13)

en kJ/kg de material combustible (sin cenizas ni humedad).

Muy empleada para carbones con 0,45 c" 0,90 es laformula de Vondracek (II):

Pcs"=( 37300 - 2600 c" )c"+113000( h" - O,1 o")+10500 s" (3.14)

tambin en kJ/kg de material combustible.

Las relaciones entre los poderes calorficos superiores calculados con las distintas bases deanlisis, pueden obtenerse como sigue:

Pcs = (1- w).Pcs' Pcs = (1- a).Pcsa Pcs = (1- w a).Pcs'' (3.15)

A partir del anlisis inmediato, es posible calcular el poder calorfico por frmulas aproximadas,como lafrmula de Goutal:

Pcs = 4,1868 ( 82 CF + V ) kJ/kg de combustible (3.16)siendo:

CF = contenido en carbono fijo en tanto por ciento en peso

= poder calorfico superior de los voltiles en kcal/kg, dividido por 100V = contenido de voltiles en tanto por ciento en peso


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Goutal tabula en funcin del contenido de voltiles en tanto por ciento del combustible puroV'' (combustible supuesto sin cenizas ni humedad total):

V'' 5 10 15 20 25 30 35 40 55

150 130 117 109 103 96 89 80 70Tabla 3.2 Valores del coeficiente " " en la formula de Goutal

donde: V'' = 100 V/( V+CF ) (3.17)

Como se ve en la tabla, el poder calorfico de los voltiles disminuye al aumentar su proporcin.Ello es debido a que una parte de los voltiles est constituida por combinaciones de oxgeno ynitrgeno, no combustibles.

Para cada tipo de carbn se establece la curva apropiada a partir de los anlisis elementales quese repiten peridicamente para ir corrigiendo segn varia el origen del carbn.

El inconveniente principal de la formula de Goutal estriba en la inexactitud de la determinacindel carbono fijo y de las materias voltiles, por lo que slo debe aplicarse cuando se desee conocer deforma aproximada el poder calorfico de un combustible slido, no debiendo aplicarse nunca para un balance trmico.

La relacin entre % de materias voltiles V y los tanto por uno en peso de c y h (hL=hidrgenolibre) obtenidos en el anlisis elemental es de forma aproximada la siguiente:

V = 1061 hL - 124 c + 84,15 (3.18) A partir de V (en %)y Pcs (kJ/kg) se pueden determinar tambin de forma aproximada los

contenidos de hidrgeno y carbono

c = ( Pcs / 71.000 ) - ( V / 462 ) + 0,434 (3.19) h = ( Pcs / 607.000 ) + ( V / 1.450 ) - 0,0286 (3.20)

Para calcular el poder calorfico tambin se emplea lafrmula de Schuster

Pcs'' = 33500 + V' ( 293 - 6,91 V' )kJ/kg de material combustible (3.21)

Evidentemente se tiene que

Pcs = Pcs'' (1-w-a)kJ/kg de combustible tcsq (3.22)

aunque para mayor precisin se suele corregir con elfactor de Schaff , f , resultando

Pcs = Pcs''( 1 - w - f a)kJ/kg de combustible tcsq (3.23)

con un valor medio def = 1,1 para las hullas, y variando entre 0,63 y 0,95 para los lignitos, siendo

igual a la unidad para el coque metalrgico


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En el Tabla 3.3 (En el anexo), se recogen los poderes calorficos inferiores medios de loscarbones, y los intervalos de variacin de sus componentes en el anlisis inmediato.

El poder calorfico se mide con instrumentos llamadoscalormetrosque son recipientes en losque se realiza la combustin y estn dispuestos de forma que se pueda medir la elevacin detemperaturas de masas cuya capacidad calorfica es conocida. Para slidos y lquidos se utiliza elcalormetro de Emerson o la bomba Maiher y para gases se utiliza el calormetro Junkers

3.3.3 Estudio de las cenizas

Se llamacenizas, al residuo resultante de la combustin completa de un combustible. Lascenizas pueden clasificarse en dos tipos bien diferenciados, las cenizasinherentes y lasadventicias.

Las cenizas inherentesproceden de las materias slidas, no combustibles, contenidas en los

vegetales y animales origen de los combustibles. A estas se unen lascenizas adventiciasque procedende las materias minerales estriles que llevan frecuentemente mezclados los combustibles y que hansido aadidas durante los procesos de extraccin.

Como se acaba de ver, las cenizas proceden de la materia mineral estril constituyente de lasmaterias vegetales animales que dieron lugar a los combustibles, as como de las aadidas en los procesos de extraccin, pudiendo diferenciarse por tanto en:

- Materia mineral que forma parte de los tejidos vegetales, ntimamente mezclada con la materia

orgnica, en proporcin inferior al 1%, es lamateria mineral de constitucin.- Materia mineral procedente de esqueletos animales y de sedimentos depositados en el curso de la

formacin del combustible, finamente dispersos en el seno de la materia orgnica, es lamateriamineral de depsito.

- Materia mineral extraa a la materia orgnica, procedente de rocas intercaladas en los depsitos ovenas de combustible, en el caso de combustibles slidos puede ser separada, al menos en gran parte durante los procesos de lavado, es lamateria mineral de extraccin.

La materia mineral est constituida por minerales complejos, en los que dominan generalmentelos silicatos hidratados (arcillas y esquistos) y los carbonatos (de calcio, hierro, etc.), con menorescantidades de sulfuros (piritas) y de sulfatos, as como de sales alcalinas.

De hecho, el contenido en materia mineral que se obtiene en el anlisis de un carbn, es inferior al real, en un orden del 10 al 12%, debido a que en el curso de la combustin, las materias minerales pierden sus constituyentes voltiles o combustibles, (agua de hidratacin de las arcillas y esquistos,dixido de carbono de los carbonatos, azufre de los sulfuros minerales).

La diferencia entre la materia mineral inicial y las cenizas recibe el nombre deprdida al

fuego. A partir de 400 C las arcillas y esquistos bituminosos pierden su agua de cristalizacin y elcarbonato de hierro comienza a descomponerse liberando dixido de carbono. Este proceso contina


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con los carbonatos de magnesio y de calcio. En atmsfera oxidante el azufre de las piritas desaparece bajo forma de anhdrido sulfuroso y el hierro se oxida.

El conjunto de estas prdidas responde a la media del 10% de la masa inicial de materia mineral, pero esta cifra puede ser ampliamente sobrepasada en determinados carbones.

Las cenizas reducen el poder calorfico del combustible y por tanto el rendimiento trmico de unhorno o caldera debido a que las cenizas y escorias dificultan la transmisin de calor, bajando latemperatura de combustin y reduciendo la cantidad de calor que podra extraerse de un carbn, a lavez que dificultan el contacto entre combustible y comburente, presentando en general elinconveniente adicional (si funden a temperaturas relativamente bajas),de formar escorias que puedenatacar las paredes refractarias de los hogares. La presencia de piritas, en los carbones, agudiza el problema de ataque al refractario, ya que en determinadas condiciones se produce cido sulfrico. Su

eliminacin de los hogares resulta costosa. Si se quema el carbn en hogares de parrilla, adems de lasconsideraciones anteriores, las cenizas reducen el tiro, causan una combustin irregular y puedenestropear la parrilla si se producen escorias en cantidad suficiente.

Su presencia encarece el proceso de combustin porque aumenta la proporcin de inquemados,el desgaste de haces tubulares, molinos y ventiladores, as como los gastos de eliminacin de polvo yescoria, disminuye la capacidad de las parrillas, y, en general, tambin encarece la construccin de lacaldera. Especialmente es de notar que un elevado contenido de cenizas encarece el transporte decarbn.

El estudio de las cenizas es muy importante para predecir el comportamiento del combustible.Para ello se definen dos propiedades, la fusibilidad y el poder aglutinante, que es preciso analizar paraconocer con la mayor exactitud posible su comportamiento durante la operacin de combustin.

La fusibilidad temperatura de fusin de las cenizas es importante desde el punto de vista delmantenimiento del combustible sobre las parrillas o para el correcto funcionamiento de los hogaresde lechos fluidos. Las cenizas demasiado fusibles se aglomeran y obstruyen los pasos de aire, atacanlas barras y envuelven el material combustible que es arrastrado inquemado. Las cenizas pocofusibles no valen para hogares de lechos fluidos. Igualmente es importante para la conservacin delos haces tubulares pues las cenizas volantes se adhieren a los tubos si su estado es viscoso.

La temperatura de fusin de las cenizas, depende fundamentalmente de su composicin,siendo la almina la que proporciona un punto de fusin ms alto, mientras que la existencia dexidos de manganeso, de hierro, etc. en las cenizas, reducen la temperatura de fusin. Algunoscarbones al quemarse muestran una cierta tendencia a producir escorias de gran tamao, debido bsicamente al xido frrico que contienen y que durante la combustin se reduce a xido ferroso,

que se combina con las cenizas.


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El poder aglutinante es importante para juzgar la capacidad del carbn para mantenerse sobre la parrilla el tiempo suficiente para su apropiada combustin. Se ensaya preparando un cilindro decarbn pulverizado amasado con arena y glicerina, que se coquifica. La carga de rotura caracteriza bien el poder aglutinante.

2.3.4. Temperaturas de inflamacin e ignicin

Los combustibles slidos no inician la combustin en el aire por debajo de determinadatemperatura, distinta para cada combustible, denominadatemperatura de inflamacin, que se definecomo la menor temperatura a la que se inflaman los vapores emitidos por el carbn al ponerlo encontacto con una llama que si es retirada no hace posible mantener la combustin. En el caso delcarbn, el proceso que tiene lugar cuando se calienta, es el siguiente; prdida de humedad, destilacinde voltiles, descomposicin de estos en molculas sencillas y principio de la combustin. Los gases

simples (H2, CH4, CO) tienen puntos de inflamacin relativamente altos (580 a 750 C), el del coqueest entre 400 y 700 C, mientras que en los alquitranes, se sita entre 200 y 300 C. Adems elencendido puede aparecer en distintos momentos segn sea la descomposicin de los gases, es por tanto un fenmeno muy complejo. La temperatura de inflamacin depende tambin del tamao de losgranos de combustible, y en general, es de unos 250C para los lignitos y hacia 500C para las hullas.

Se denominatemperatura de ignicin, a la temperatura, superior a la de inflamacin, a la quela llama originada por la combustin de los vapores inflamables es duradera y persistente.

Nos determinan la cantidad mnima de energa a aportar a un carbn para que se encienda,energa que se suele aportar con un combustible de apoyo, principalmente en los grandes hogares.

3.3.5. Propiedades fsicas del carbn

Propiedades reolgicas del carbn.Proporcionan informacin sobre el comportamiento del carbndurante su preparacin para su combustin:

Dureza

Indica su resistencia a la abrasin producida en el rozamiento con otros materiales en unmovimiento de deslizamiento. Es una propiedad que influye en los molinos y dems instalaciones, produciendo desgastes importantes. Se determina con el ensayo de dureza Heywood : Pirita 5,71 ;Antracita 1,75 ; Hulla antracitosa 1,10 : Hulla vaporosa 0,29. Asimismo, puede medirse medianteensayos de microdureza, como el ensayo Vickers a nivel microscpico, que consiste en medir la huellacreada por un penetrador.

Abrasividad

Mide el poder de desgaste sobre paredes metlicas (de tolvas, molinos, conductos, quemadores,etc.). Tiene una gran significacin econmica y esta ligada a la dureza del carbn y a su composicin, principalmente a la existencia de impurezas ms que por el carbn mismo. Como elementos ms


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abrasivos se encuentran la pirita, slice y arenisca, que podrn acompaar al carbn segn sunaturaleza.

Resistencia a la compresin

Es importante ya que nos determina la cantidad de carbn que puede apilarse en tolvas y parques. Los valores medios estn entre 250 y 750 kg/mm2.

Cohesin, friabilidad y fragilidadMarcan la degradacin, es decir, el paso a granulometras menores por impacto o rozamiento.La medida de la cohesin y la friabilidad, f, estn relacionadas por:

Cohesin (%)= 100 f (%)

Cuando T es el tamao inicial y t el tamao final, la friabilidad viene dada por:

%f = 100. (T-t)/T

Triturabilidad, molturabilidado grindabilidad

Es una propiedad que marca la facilidad con la cual puede molerse o pulverizarse un carbn, para su uso en quemadores.

La Ley de Rittinger es la medida de la triturabilidad ("el aumento de superficie al moler esdirectamente proporcional a la energa empleada"). En general, la molturabilidad depende bsicamentedel contenido en voltiles del carbn.

En la figura 3.5 (En el Anexo) se recoge la relacin entre contenido en voltiles ymolturabilidad.

Para su medicin se realiza el ensayo de Hardgrove, norma UNE 32106, el cual nos proporcionaun ndice caracterstico, denominadondice de Hardgrove, cuya determinacin se verifica as:

En un molino de bolas de laboratorio, de caractersticas definidas, se muele una muestra decarbn previamente calibrada entre 0,6 y 1,2 mm y se compara el resultado obtenido, expresado por lafraccin que atraviesa un tamiz de malla 74 , con la fraccin dada por el carbn de referencia, quetiene por ndice 100.

Este ndice es de gran importancia prctica, ya que el caudal de un molino industrial de carbnes sensiblemente proporcional al ndice de Hardgrove

Finura de molienda

La finura de molienda se valora haciendo pasar una nuestra de carbn pulverizado por un tamizde un determinado ancho de malla. El residuo retenido en el tamiz se denominarechazo y se expresaen tanto por ciento del peso total de la muestra. La finura ptima de molienda depende del contenidoen materias voltiles del carbn.


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El tamiz normalmente usado en Espaa para el carbn pulverizado es el DIN 0,09, que tiene unancho de malla interior de 90 micras.

3.4. CLASIFICACIN DE LOS DISTINTOS TIPOS DE CARBN. Norma ASTM.

Una de los sistemas de clasificacin del carbn ms utilizados a nivel industrial es la del ASTM(American Society for Testing Materials), pues las propiedades utilizadas para clasificar el carbn por este sistema son muy sencillas de determinar (bsicamente anlisis inmediato y poder calorfico) y laterminologa derivada de esta norma (antracita, bituminoso, subbituminoso, lignito) es de uso muyextendida.

En la norma ASTM D 388-92a los carbones son clasificados segn su rango en ordendecreciente (en cuatro rangos, antracitas, bituminosos, subbituminosos y lignitos) segn su %CF (en

base seca y sin cenizas), %V (en base seca y sin cenizas) y Pcs (sin humedad libre y sin cenizas) ysu carcter aglomerante. No todas las propiedades se utilizan para definir todos los rangos. Loscarbones se clasifican en antracticos y bituminosos de bajo y medio contenido en V de acuerdo con su%CF y contenido en V. Si el CF es menor del 69%, se clasifican en bituminosos de alto contenido envoltiles, subbituminosos o lignitos segn su poder calorfico inferior. Sin embargo, no todos loscarbones existentes pueden clasificarse as (como se reconoce explcitamente en la misma norma), yaque puede ocurrir, que ciertos tipos de carbones no cumplan las condiciones definidas para ningnrango, pues la variabilidad de las propiedades del carbn es muy grande, y existen grandes diferencias

tanto en composicin como poder calorfico entre carbones procedentes de distintos yacimientos y, encasos extremos, entre distintas vetas del mismo yacimiento.

El rango es una descripcin cualitativa de la madurez geolgica o grado de carbonificacin yno una propiedad objetiva, existiendo diversidad de opiniones acerca de qu parmetros medibles delcarbn indican mejor su rango. Elcarcter aglomerante referido al carbn, segn indica la mismanorma, es la propiedad de reblandecerse una masa de carbn cuando se calienta hasta temperaturas deunos 400C en una atmsfera no oxidante y presentar un aspecto de masa slida cuando la misma

muestra se enfra a temperatura ambiente.En la tabla 3.4 (en el Anexo) se reproduce la clasificacin ASTM de los carbones segn su

rango.

A efectos de calcular el Pcs, el contendido en voltiles y el carbono fijo a partir del anlisisinmediato, la norma propone unas frmulas que difieren un poco de las mostradas en las expresiones(3.5) y (3.15) para cambiar de base el anlisis inmediato, y que se muestran a continuacin. Se llamanfrmulas de Parr, y contienen diversas correcciones, para tener en cuenta que parte del azufre y elagua de constitucin de algunos minerales que forman las cenizas, se han eliminado durante lacombustin de la muestra para el anlisis elemental.


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La validez de estas correcciones para cualquier tipo de carbn es discutible, y tambin podranhacerse correcciones parecidas de otros conceptos. Sin embargo, si aparecen explcitamente en lasnormas deben utilizarse en caso de litigio para la determinacin del rango. Lasfrmulas de Parr son:

- Carbono fijo en base seca y sin cenizas , CFASTM .

CFASTM = ( )0,55.s1,08.aw10,15sCF

++ (3.24)

- Voltiles en base seca y sin cenizas, VASTM: se calcula por diferencia con el carbono fijocorregido, ya que el carbn en base seca y sin cenizas nicamente se compone en cuanto aanlisis inmediato de voltiles y carbono fijo.

VASTM = 1- CFASTM (3.25) - Pcs sin cenizas , PcsaASTM, calculado en BTU/Ibm: (1 Btu/lbm = 2,326 kJ/kg).

PcsaASTM= ( )0,55.s1,08.a15000.sPcs

+ (3.26)

3.5. Norma UNE 9-205-87 CLCULOS RELATIVOS A LA COMBUSTINDada la existencia de diferentes formulas empricas (como las ya citadas y otras) que conducen

a definiciones y valores del poder calorfico no coincidentes, laNorma UNE 9-205-87establece lasdefiniciones fundamentales a adoptar por los tcnicos, con el fin de unificar criterios sobre lostrminos y/o conceptosaplicables en los clculos relativos a la combustinde los productoscombustibles.

Esta norma se aplicara a la combustin de cualquier combustible industrial slido, liquido ogaseoso, compuesto por carbono (c), hidrogeno (h), oxigeno (o), nitrgeno (n), azufre (s) y cenizas (a),cuya composicin, en tanto por uno en peso, se representa por los smbolos en minsculas. Esta norma presupone la combustin completa del combustible con un volumen de oxigeno en el aire decombustin superior al estequiomtrico.

El poder calorfico de un combustible queda definido por el nmero de unidades de calor liberadas por la unidad de masa o de volumen del combustible, quemada en un calormetro encondiciones previamente establecidas. Es decir:

- El poder calorfico de un combustible slido o lquido es su capacidad de combustin referidoa la unidad de masa, que en la practica industrial suele ser el kilogramo; se expresa en kJ/kg.

- El poder calorfico de un combustible gaseoso es la cantidad de calor liberada por la unidad devolumen de dicho gas, y se suele expresar en kJ/m3 de gas en condiciones normales (a 0C detemperatura y 760 mm de columna de mercurio).

Los valores de poder calorfico que se utilizan normalmente son los siguientes:

Poder calorifico superior (Pcs' ).Es la cantidad total de calor de un combustible, incluyendo elcalor latente del agua formada por la combustin del hidrogeno contenido en dicho combustible seco.


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Poder calorfico inferior (Pci' ).Es la cantidad de calor que resulta al restar del poder calorficosuperior el calor latente del agua formada por la combustin del hidrogeno contenido en elcombustible seco.

Poder calorfico segn se quema (Pcq)Es la cantidad de calor correspondiente al peso decombustible seco contenido en 1 kg de combustible tcsq, expresado en kcal en las condiciones en quese introduce en el hogar de combustin.

Poder calorfico til (Pcu).Es la cantidad de calor que resulta al restar del Pcq el calor necesario para evaporar, en la combustin, la humedad del combustible segn se quema.

NOTA: Como la humedad de un combustible es variable segn las condiciones en las que llega al hogar, se tomaran como valorescaractersticos de un combustible su Pcs. y Pci.referidos a base seca, es decir, exentos de humedad, y sern variables los valores de Pcq yPcu en funcin de la humedad total del combustible wt segn se quema.

Clculo del poder calorfico segn anlisis qumico

En el caso de combustibles lquidos o slidos en base seca, una vez conocida su composicinqumica, y al ser verdaderamente combustibles solo los elementos carbono, hidrgeno y azufre, su poder calorfico superior se puede obtener aplicando la frmula siguiente:

Pcs' =8000 c' + 34.160 h' + 2.500 s'kcal/kg comb. seco (3.28) Y si el valor as obtenido se resta el calor latente del agua formada por la combustin del

hidrgeno, se obtendr el poder calorfico inferior de dicho combustible. Teniendo en cuenta que 1 kgde hidrgeno proporciona 9 kg de agua, y tomando como calor latente de condensacin del vapor deagua 600 kcal/kg, resulta:

Pci' = Pcs'. - (9 x 600) h' = Pcs'. - 5.400 h' kcal/kg comb. seco (3.29)

Si el combustible segn se quema tiene un tanto por uno de humedad (w), la cantidad decombustible real ser (1- w) en kg/kg de combustible tcsq, y sus valores Pcq y Pcu vendrn dados por:

Pcq = Pci' . (1 - w) kcal/kg de combustible tcsq (3.30)

Pcu = Pcq - 600 . w kcal/kg de combustible tcsq (3.31)

Los combustibles gaseosos, en la practica industrial, suelen ser mezclas (con componentestales como H2, CO, CH4, C2H6, CmHn, C02, N2 y 02). y los poderes calorficos estn relacionadosdirectamente con los correspondientes a cada componente y con su proporcin en la mezcla. As, elPcs ser igual a la suma de los poderes calorficos superiores de cada componente multiplicados por eltanto por uno de cada componente en la mezcla gaseosa; y para obtener el Pci. de la mezcla se seguiresta mismo procedimiento, pero utilizando en esta ocasin los poderes calorficos inferiores de cadauno de sus gases combustibles componentes.

En la tabla 5.1 (del Anexo al capitulo 5) pueden verse expresados los poderes calorficossuperior e inferior de diversos gases combustibles, expresados en kcal/m3 N.


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3.6. INTERCAMBIABILIDAD DE CARBONES

Cuando se disea una instalacin de combustin para carbn, se parte de un combustible dediseo. Las caractersticas del carbn especificado influyen en el diseo tanto de la caldera como delos equipos auxiliares como molinos, ventiladores y sistemas de limpieza de gases.

Como se ha mencionado anteriormente, el carbn no es un compuesto qumico bien definido ylas propiedades de los carbones pueden variar en un amplio rango. Como ejemplos se pueden citar:

- Pcs de 8.000 a 30.000 kJ/kg- Los contenidos de humedad, cenizas y voltiles pueden variar del 5 al 40%- Azufre, del 0,1 al 7%

Las instalaciones industriales en general tienen una vida til elevada (25 aos o ms), es posible

que se den circunstancias que obliguen a utilizar en la instalacin carbones distintos al de diseo. Paraevaluar a priori si es posible cambiar un tipo de carbn por otro, el proceso normal es estudiar unaserie de propiedades del carbn. Si el combustible parece razonablemente similar, se realizan una seriede pruebas en la instalacin para ver si se detectan problemas de operacin. Entre las propiedades quese comprueban, las ms importantes son:

- Rango del carbn : se pueden consideran intercambiables carbones del mismo rango o similar, o bien una mezcla de carbones cuyo anlisis corresponda con un rango similar.

- El poder calorfico debe ser similar, pues est relacionado con la cantidad de combustiblenecesaria y por tanto con el dimensionamiento del sistema de transporte y tratamiento delcombustible y distribucin espacial de temperaturas en el hogar.

- El contenido en voltiles debe ser parecido, pues est relacionado con la facilidad de ignicin delcarbn y con la caracterstica de la llama.

- El contenido en ceniza debe ser tal que sea posible la evacuacin de la misma por el sistemaexistente.

- La humedad del carbn tiene influencia en el funcionamiento del sistema de molienda y en lacapacidad de secado del combustible.

- Triturabilidad del carbn (facilidad para ser molido). Si ambos carbones presentan un ndice deHardgrove similar (triturabilidad similar), puede suponerse un tamao semejante del carbn pulverizado, en la instalacin de molienda existente. Si el ndice de Hardgrove del carbnsustituto fuera menor, el tamao de carbn pulverizado ser mayor, con los consiguientes problemas relacionados con la produccin de inquemados. Sin embargo, la utilidad de este ndicees muy discutible, ya que las condiciones del ensayo no reproducen la situacin real en la

instalacin.


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- Temperatura de fusin de las ceniza : La propensin de las cenizas y la escoria a fundirse producen ensuciamiento de las superficies de transferencia de calor. Si las cenizas del carbnalternativo presentan menores temperaturas de fusin que las del carbn original, existe la posibilidad de mayor ensuciamiento. En todo caso se trata de nuevo de un ensayo de laboratorio

y no est claro hasta que punto reproduce las condiciones reales de funcionamiento.

- Propiedades elctricas de la ceniza . Si la ceniza es de alta resistividad, pueden aparecer problemas si el sistema de limpieza de gases es un precipitador electrosttico.

- El contenido en azufre del carbn sustituto, debe estar en un rango tal que la emisin de SO2 cumpla con la normativa vigente, con los equipos de limpieza de gases disponibles. Si aumenta elcontenido de azufre tambin puede reducirse la temperatura de roco cido, y, si en el circuito derecuperacin de calor se alcanzan temperaturas lo suficientemente bajas, puede condensar cido

sulfrico y producir problemas de corrosin.

3.7. ALMACENAMIENTO, PREPARACIN Y TRANSPORTE DEL CARBON

El almacenamiento, la preparacin y el transporte de los combustibles comprende las etapasnecesarias a efectuar en la planta consumidora, para recepcionar el combustible, almacenarlo y situarloen las condiciones tcnicas (de granulometra, presin, temperatura o viscosidad) requeridas por elquemador con objeto de conseguir una combustin lo ms optimizada posible.

Se indican a continuacin los elementos y equipos que constituyen una instalacin completa para los combustibles habituales. Esta instalacin es diferente segn sea el combustible, pudiendovariar desde una instalacin simple como la necesaria para el gas natural, hasta una instalacincompleja como la que corresponde al fuelleo, o todava ms compleja como es el caso de uncombustible slido como el carbn.

El carbn debe almacenarse con objeto de poseer reservas suficientes que permitan elfuncionamiento normal de la instalacin, ya que es difcil, por no decir imposible que el combustiblellegue al mismo ritmo con que se consume, a este inconveniente debe aadirse, que si la instalacin

trabaja en forma continua, es necesario prever el consumo nocturno y el del fin de semana, as comolas variaciones que se producen en el consumo a lo largo del periodo de funcionamiento. Debeanalizarse tambin la seguridad de suministro y su uniformidad que depende fundamentalmente de ladistancia y el medio de transporte, (ferrocarril, camin, cintas transportadoras, etc.), a lo que enocasiones debe aadirse la distribucin local.

Es evidente que el coste del transporte puede llegar a ser una parte importante del coste total delcombustible, motivo por el cual las grandes instalaciones consumidoras de carbn se ubican en las proximidades de las minas, con medios de comunicacin adecuados, con lo que se consigue paliar en parte los efectos de las posibles irregularidades y costos del transporte.


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3.7.1. El movimiento y manejo del carbn

Los problemas implicados en el manejo de combustibles slidos han aumentado al aumentar eltamao de las plantas consumidoras, y aunque las operaciones a realizar en una planta pequea y enuna grande son similares, los mtodos pueden variar.

La descarga es una operacin sencilla cuando el carbn est seco, si la humedad superficial esalta, se tendrn que utilizar atizadores por la parte superior de la carga, para poder comenzar a mover el carbn. Si adems de ser la humedad alta, la temperatura es muy baja, el carbn se puede congelar,convirtindose en una masa compacta; en este caso pueden emplearse sistemas de calentamiento, queutilizan vapor, aceite caliente, etc.; sistemas mecnicos, como la "barra de cizalla", que se elevamecnicamente y se deja caer libremente sobre la masa de carbn para quebrarla, bien se transmiteuna accin vibratoria al vehculo de transporte con el mismo objeto, Si por el contrario la temperatura

es alta, un viento fuerte puede arrastrar los finos de carbn, para evitarlo se emplean pulverizadores deaceite a fin de fijarlos al resto del carbn. Los aceites empleados no influyen en la combustin.

El tamao de la planta, junto a razones econmicas, define el grado de mecanizacin de lainstalacin. El movimiento de carbn, en plantas pequeas se realiza mediante cintas transportadoras tornillos sin fin, tanto para la descarga de vehculos, como para el llenado de silos, con auxilio de lamano de obra necesaria. En plantas que consumen ms de 10 t/da, es necesaria la mecanizacin total,constituida por una tolva de entrada, un elevador hacia el silo, y un alimentador del hogar, como seindica en la figura 3.6; si adems existe un molino de combustible, es necesario colocar un separador magntico.

1. Tolva de entrada, con parrilla.2. Elevador.3. Silo,4. Alimentador.5. Tolva alimentacin hogar

Fig . 3.6

En plantas ms grandes se incluyen adems un quebrantador, un separador magntica y un silodividido en varios compartimentos, figura 3.7, que se alimentan mediante un transportador de tornilloque distribuye el carbn a lo largo del silo.


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1. Tolva con parrilla 3. Quebrantador 5. Transportador de tornillo2. Alimentador 4. Elevador 6. Silo de compartimento

Fig . 3.7

En plantas muy grandes, con consumos de ms de 3000 t/da, la instalacin es bsicamente lamisma, incluyendo una bscula.

3.7.2 Almacenamiento exterior

En las grandes instalaciones consumidoras de carbn, ste no puede pasar directamente al silo silos de almacenamiento, sino que queda en el exterior, sometido a la accin de los agentes

atmosfricos.En este caso, los cambios que pueden afectar al carbn almacenado son:

- Prdida en el valor trmico con reduccin del valor de coquizacin.- Reduccin del tamao medio de las partculas.- Aumento de la temperatura de ignicin.- Prdidas por combustin espontnea.- Prdidas por erosin del viento y del agua.

Oxidacin del carbn

Todos los constituyentes del carbn comienzan a oxidarse superficialmente, cuando estnexpuestos al aire, por absorcin de oxigeno. Esta absorcin de oxgeno va acompaada de undesprendimiento de calor y aumento de temperatura; la elevacin de temperatura se cree que es debidauna reaccin exotrmica en cadena, aunque hay evidencias de que la accin de las bacterias producetambin la elevacin de temperatura.

Esta elevacin de temperatura es lenta inicialmente y puede llegar a ser imperceptible si existe

una buena ventilacin que disipe el calor desprendido. A medida que aumenta la temperatura crece lavelocidad de absorcin del oxigeno, aumentando con ello el desprendimiento de calor y por


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consiguiente la temperatura. En este proceso de calentamiento existe unatemperatura critica, (quevaria segn las condiciones entre 50 y 80C), a partir de la cual la temperatura sigue creciendo de unamanera rpida e irreversible, hasta producir la combustin espontnea. Sin embargo, normalmente sealcanza el equilibrio, al igualarse las cantidades de calor producidas y las disipadas, a una temperatura

inferior a la crtica. En esas condiciones la temperatura se estaciona y a continuacin comienza adescender, al disminuir la cantidad de oxigeno absorbido. Por debajo de la temperatura crtica no seforman cantidades apreciables de xidos de carbono, mientras que por encima comienza undesprendimiento apreciable de xidos de carbono y de vapor de agua que dan origen a una combustinlenta.

Fig. 3.8. Oxidacin de una muestra de carbn fino calentado externamente y

expuesto a una corriente de aire

La oxidacin del carbn depende; (1) del tipo de carbn, (2) del tamao de ste y del reasuperficial, (3) de la temperatura ambiente, (4) de los constituyentes del carbn, (piritas, cenizas,humedad), y (5) de la duracin del almacenamiento.

(1)- Los carbones que, como la antracita, contienen poco oxigeno y se oxidan lentamente, mientras

que los que tienen alto contenido de oxgeno, como la turba, se oxidan fcilmente.(2)- La oxidacin del carbn es esencialmente una accin superficial, bajo este punto de vista, el

carbn de tamao ms fino ofrece mayor superficie que la misma cantidad en tamaos msgruesos.

La disipacin del calor producido se realiza mediante el aire que atraviesa el carbn almacenado por ventilacin natural, de lo que se deduce:

- Las pilas de carbones gruesos ofrecen poca superficie y buena ventilacin, no presentando

problemas de autocombustin.


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- Las pilas de carbn fino ofrecen mucha superficie y poca ventilacin, adems el aire noencuentra un paso regular, por lo que la ventilacin natural es deficiente, existiendo por tanto peligrode combustin espontnea, este peligro puede eliminarse de dos formas:

- Estableciendo una ventilacin adecuada y suficiente, lo que es difcil.

- Eliminando toda ventilacin, con lo cual cesa el proceso por falta de oxgeno.

Sin embargo no se recomienda la supresin de la ventilacin en los montones pequeos de poca altura, pues entonces las condiciones de ventilacin son buenas. El ltimo razonamiento es vlidotambin para las mezclas de carbonos gruesos y finos, ya que los finos decantan, producindoseentonces una ventilacin natural adecuada en las zonas de carbn grueso y existiendo en la zona definos el peligro reseado anteriormente. El carbn fino almacenado, con gruesos uniformementerepartidos en capas sucesivas, presenta menos peligro de combustin espontnea que la mezcla de

diferentes tamaos.(2)- Reduccin del tamao medio de las partculas . La accin atmosfrica sobre el carbn

almacenado produce una degradacin del carbn en cuanto a tamaos, apareciendo trozos ms pequeos, y finos, que en consecuencia provocan un aumento de superficie. Esta desintegracin nocontinua indefinidamente, sino que llega hasta un determinado grado debido a la disposicin delcarbn en los diferentes planos de almacenado.

(3)- Prdidas de potencia calorfica y poder coquizante . Si un carbn almacenado se calientanormalmente, la prdida de poder calorfico es slo del 0,5 al 1% por ao; sin embargo cuando secalienta de forma anormal, la prdida de poder calorfico puede alcanzar valores notables. Laexplicacin de esta prdida se encuentra en la actualidad limitada a la reduccin de tamao que se produce en el almacenado y que aumenta posteriormente las prdidas a travs de las parrillas.

El poder coquizante de un carbn, disminuye rpidamente en el almacenamiento al perder voltiles, su disminucin es mayor durante los tres primeros meses que posteriormente, existiendoadems una nueva disminucin al aumentar la temperatura.

(4)- Las piritas reaccionan con el oxgeno y el agua, formando cido sulfrico, y sulfato dehierro, desprendiendo calor. Este proceso se cree que acelera ms la degradacin del carbn en cuantoa tamaos, que el aumento de temperatura que la accin atmosfrica.

Los carbones que se almacenan secos pueden absorber humedad del ambiente, en este procesode condensacin se desprende calor, que puede acelerar el proceso de oxidacin. Por otro lado uncarbn con alto contenido en cenizas posee menos tendencia a oxidarse que el mismo carbn con bajocontenido en ellas.

(5)-Duracin del almacenado . La combustin espontnea en un parque de almacenamiento se

suele presentar entre el primer y cuarto mes despus de producido el almacenamiento. Sin embargo,


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para poder considerar que no existe peligro de combustin espontnea, deben transcurrir un mnimo deocho meses y no existir calentamiento apreciable.

Como el proceso de deterioro tiene la mxima intensidad en los primeros meses, decreciendoluego, resulta evidente que debe emplearse en primer lugar el carbn recin llegado con lo que seevitarn las prdidas reseadas anteriormente, a la vez que se consigue un ahorro de tiempo y costo alno tener que manipular el carbn almacenado.

En resumen:- Es ms fcil almacenar carbn con bajo contenido de oxgeno, como las antracitas.- En climas clidos es difcil almacenar lignito de tamao pequeo con alto contenido de piritas.- El carbn recin quebrado molido se oxida fcilmente.- Para evitar la combustin espontnea, el calor procedente de la oxidacin del carbn se debe

mantener a bajo nivel eliminarse.- Una vez que se establezca una pila segura, el grado de oxidacin disminuye notablemente.

Eleccin del suelo

Se han analizado hasta el momento los inconvenientes que presentan los parques dealmacenamiento y las causas que los producen, a continuacin se analizarn las condiciones que debencumplir para disminuir al mximo estos inconvenientes.

El suelo ideal es de hormign, arcilla dura, ceniza yeso muy compactado, pues el suelo debeser firme y sin material de relleno suelto, nivelado y con un buen drenaje. El lugar debe estar protegidode los vientos reinantes, las mareas, los desbordamientos de los ros y a ser posible de la humedad. Asmismo, el suelo debe quedar completamente limpio antes de almacenar el carbn, eliminando todotipo de materia vegetal y de restos orgnicos que puedan ser causa de una combustin espontnea.Finalmente, el lugar elegido no debe estar cruzado por tuberas de fluidos calientes, (vapor, aguasobrecalentada, etc.), ni tuberas de gases a presin de otros combustibles.

Almacenamiento de carbn en cantidades pequeas

Se realiza normalmente en pilas cnicas, cuyo peligro de combustin espontnea proviene msde la altura de la pila que de la masa de carbn acumulada.

Cuando el almacenamiento es mayor, las pilas se realizan de forma alargada, con el ejelongitudinal en sentido de la direccin predominante del viento, para reducir la ventilacin.

La antracita en partculas, no requiere ninguna precaucin especial, pudiendo llegarse a pilas de9m. de altura. Los carbones bituminosos y similares se clasifican normalmente por tamaos antes deformar las pilas, que pueden alcanzar alturas de hasta 5m., aunque la altura idnea es de 2,5 a 3m., yaque entonces se encuentra dentro del marco de las condiciones de seguridad, pero a pesar de estosufrirn una degradacin en cuanto a tamaos, as como prdidas en el poder calorfico y en el poder


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de coquizacin. Los tamaos menudos de carbn bituminoso, una vez apilados, deben compactarsemediante la maquinaria adecuada.

Los carbones del tipo del lignito se deben almacenar en pequeos montones y ser completamente compactados; solamente en caso de almacenamiento para menos de dos tres meses, pueden formarse pilas sin compactar, pero tratndolas con aceite pesado, en razn a 5 litros por tonelada.

Cuando entra carbn nuevo en un parque de almacenamiento, aquel se puede acumular sobre las pilas ya existentes, siempre que ya hayan sobrepasado el momento crtico; en general la altura puedeincrementarse en 0,5m. por cada tres meses de almacenamiento esttico.

Para evitar la ventilacin natural al mximo posible, se suele recurrir a encerrar las pilas decarbn en el interior de recintos construyendo tabiques con los trozos ms grandes de carbn, y enalmacenamientos permanentes se llegan a construir tabiques bajos, de mampostera, alrededor de las pilas, con el mismo objeto.

Almacenamiento de carbn en grandes cantidades

La antracita es un carbn muy seguro que se puede almacenar en grandes pilas que por si solasadmiten el drenaje; el apilamiento debe terminarse con los tamaos ms grandes para evitar prdidas.

El carbn bituminoso debe almacenarse en mltiples capas horizontales con un espesor, cada

una, de 30 a 60 cm. y que deben compactarse a fin de eliminar las posibles bolsas de aire, mediantemotoniveladora. La cumbre y las laderas del almacenamiento se cubren con una capa unos 30 cm., definos, distribuida uniformemente, para evitar la ventilacin natural, pudindose reducir sta, aun ms,humedeciendo esta capa, pues el agua rellena los espacios por los que puede pasar el aire. Sobre estacapa se coloca una ltima, tambin de unos 30 cm., de espesor, constituida por trozos de carbn bituminoso de gran tamao.

El lignito se almacena de la forma indicada para el carbn bituminoso, con la salvedad de quelas capas no deben sobrepasar los 30 cm., de espesor, para asegurar una buena compactacin. Con estetipo de carbn debe revisarse peridicamente el almacenamiento para mantenerlo en las condicionesadecuadas.

Atenciones del almacenamiento

La combustin espontnea se produce de 1 a 2 m. de la superficie del carbn, en lugares dondela ventilacin es superficial y el espesor de la capa evita la disipacin del calor, por ello, debentomarse temperaturas en distintos puntos con una frecuencia semanal, al menos durante los cuatro primeros meses del almacenamiento, debiendo construirse, con dichas temperaturas, grficos que permitan seguir su evolucin con el tiempo, para poder determinar si se sobrepasa no la temperaturacrtica.


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En todo caso, debe realizarse una inspeccin visual diaria, para comprobar que no existen puntos calientes en el almacenamiento; cuando el clima es hmedo ha llovido, las zonas calientes sedetectan por: Un secado rpido de la superficie, y un color ms claro del carbn superficial. En un dahmedo o fri, columnas de vapor y olor a gas son seales de un calentamiento de una entrada de

aire.

En el caso de que se detecte una elevacin excesiva de temperatura, se pueden tomar lassiguientes medidas:

- Pulverizar agua sobre la zona afectada durante varios das.

- Introducir agua por medio de mangueras, con objeto de llegar al foco caliente.

- Cubrir la cumbre y la ladera prxima al punto caliente con una capa hermtica de asfalto, paraevitar la entrada de aire.

Si no se consigue con estas medidas bajar la temperatura, se debe extraer el carbn caliente yesparcirlo en el suelo, cuando no se puede usar inmediatamente; posteriormente puede volverse aalmacenar.

3.7.3. Silos

Su misin no es solo almacenar el carbn, sino tambin operar eficazmente como parte delsistema, para un suministro continuo de combustible al hogar. Su capacidad debe ser para una carga

mxima de 30 horas de trabajo, pero cuando la instalacin esta automatizada y la planta trabaja enservicio continuo, el almacenamiento debe ser para tres das, (para tener en cuenta el fin de semana).

Los materiales con que se puede construir el silo son: hormign armado, planchas de acero sinforrar, forradas con hormign resistente a los cidos, caucho, planchas de acero inoxidable.Cuando el silo se construye de acero se debe revisar con frecuencia, para comprobar los efectos de lacorrosin. En su diseo se deben evitar los puntos muertos, figura 2.9, a causa de la tendencia delcarbn a la combustin espontnea.

Fig . 3.9


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El carbn fino y hmedo tiende a formar chimeneas desde la parte alta a la baja del silo; engeneral todos los carbones producen atascamientos, que segn los estudios realizados tienden ainiciarse cuando existe una humedad superficial del 5 al 6%. Para obligar a que el combustible fluyacontinuamente se pueden utilizar lanzas de aire, pero lo ms prctico es colocar sistemas que rompan

las posibles bvedas que se puedan formar. De todas maneras el ngulo de salida de la tolva debe ser mayor de 60 con la horizontal.

El silo debe colocarse de forma tal que el flujo de combustible sea lo ms vertical posible yalejado de toda fuente de calor, ya que existe peligro de explosin si se produce un fuego en el silo, por lo que deben tomarse medidas especiales antiincendios y vigilarse la temperatura interior. En casode peligro se introduce en el silo vapor, dixido de carbono nitrgeno; cuando el sistema de proteccin montado es de vapor de dixido de carbono, despus de su uso debe vaciarse totalmente

el silo, (preferentemente quemando a continuacin su contenido), para evitar recalentamientos alllenarse de nuevo. Si el silo contiene carbn pulverizado, el aire de transporte debe ser fro por elmismo motivo.

Durante todo el proceso de apagado y vaciado debe vigilarse atentamente la hermeticidad de lainstalacin, para que no se produzca ninguna aportacin de aire, no permitindose la entrada de personal alguno al silo hasta que est totalmente vaci ste y se hayan disipado los gases generados.

3.7.4. Transporte

Cindose al transporte interior del combustible slido en las instalaciones, los medios detransporte en el interior de la planta son:

- Transporte por cintas, con las cuales se realiza el transporte en sentido horizontal, o seconsigue transportarlo a pequeas elevaciones, pues la pendiente mxima recomendada se encuentraentre los ngulos de 18 a 20.

- Transporte por elevadores de cangilones, se utilizan para elevar el carbn en un trayectovertical, como puede ser el llenado de los silos.

- Transporte por tornillos sinfn, se emplea para el transporte del combustible tanto horizontalcomo verticalmente, con la gran ventaja de poder regular el caudal de combustible. Por este ltimomotivo se utiliza en las instalaciones de carbn pulverizado.

- Transporte por tubera, desde los silos a las tolvas de los hogares, el carbn cae por tuberasque deben mantener recorridos cortos y en los que no se debe realizar reducciones de seccin, Cuandodos corrientes de carbn se tienen que reunir, la unin debe realizarse bajo el ngulo mnimo, paraevitar cambios repentinos de direccin.


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- Transporte neumtico, se utiliza para el carbn pulverizado, la velocidad del aire debe ser suficiente para que no se deposite el carbn que la corriente lleva en suspensin, siendo normalesvelocidades comprendidas entre 15 y 25 m/s, con una tasa de transporte de 300 a 500 g/m3.

En las instalaciones actuales de carbn pulverizado, el molino recibe el carbn con una ciertahumedad y debe secar el carbn, al mismo tiempo que lo muele, hasta que tenga una humedad que noexceda del 3%. Para ello se emplea el propio aire de transporte, que se introduce caliente en el molinocon temperatura que no debe exceder de 300C y con la condicin que la temperatura de salida de lamezcla carbn-aire, no exceda de los valores siguientes:

Li nito 50CCarbn bituminoso, con alto contenido en materia voltil. 65CCarbn bituminoso, ba o contenido en voltiles 65 - 80C

Antracita. 95CCo ue de etrleo 95-120C

La mezcla carbn-aire que sale del molino, pasa a un separador de gruesos, que vuelven almolino, mientras que el resto entra en un separador de finos que alimenta el silo de almacenamiento.Lgicamente la corriente de aire arrastra un contenido de carbn comprendido entre el 5 y el 10% deloriginal, que debe ser retenido en los filtros, de donde se recuperar. En los sistemas directos dealimentacin de quemadores, el aire primario de combustin, es el propio aire de transporte, con lo

que se reducen las prdidas, a la vez que se eliminan los filtros, silo y separador de finos.

3.7.5. Alimentacin y combustin industrial de combustibles slidos

Los combustibles slidos pueden quemarse sobre parrillas, en estado pulverizado,inyectndolo entonces en el hogar, mediante una corriente de aire que lo transporta en suspensin.

Se denominaaire primario, al necesario para la combustin que pasa a travs de la capa decarbn depositada sobre las parrillas, que entra directamente con el combustible en el caso de carbn pulverizado.

Aire secundario, es el que entra se inyecta por los laterales de la cmara de combustin y quese utiliza para quemar la materia voltil que se desprende del carbn. En los quemadores de carbn pulverizado se emplea para imprimir un movimiento rotacional al carbn que se encuentra ensuspensin en la corriente de aire primario.

Se utilizaaire terciario, en aquellos casos en que la combustin se realiza en tres etapas, provocndose esta nueva admisin de aire para que la materia voltil no escape sin quemar, mezcladacon los gases de combustin.


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Como es sabido, una cantidad de aire en exceso es inevitable, pero debe procurarse que sea lamenor posible ya que se producen prdidas debidas al exceso de aire que es preciso calentar,aumentando la cantidad de gases calientes que salen por la chimenea.

En las calderas que emplean carbn el porcentaje de anhdrido carbnico es del orden del 10 al14%. Cuando este porcentaje es superior al 14%, es probable que queden en los gases de combustinmonxido de carbono e hidrgeno sin quemar, lo que disminuye el rendimiento. (El porcentaje de CO2 puede sobrepasar el 14% debido a un menor porcentaje de nitrgeno y oxgeno en los humos, producido por no aportar el aire necesario para la combustin completa, lo que provoca la existenciade gases combustibles en los humos).

En los hornos es a menudo necesario mantener una atmsfera reductora dentro del hogar, paralo cual se aade aire comburente en cantidad insuficiente para la combustin completa, de forma que

se consiga la aparicin de pequeas cantidades de monxido de carbono, (hasta un 2%).En general, cuando se quema carbn, el exceso de aire no debe superar el 50% y en las

condiciones ms favorables puede ser solo del 30%.

Toda reaccin qumica requiere un tiempo para completarse. Por tanto para la combustin de lamateria slida y de la correspondiente materia voltil debe darse un ciertotiempo de permanencia.Para que la combustin sea rpida, debe mezclarse el combustible y el aire comburente lo msntimamente posible, si no se hace as la llama ser larga y sobrepasar la longitud del hogar.

El movimiento turbulento es el que consigue una mezcla ms ntima y rpida del aire y de lamateria voltil. En el movimiento laminar las corrientes de aire y materia voltil se difundenlentamente una en otra.

En los hogares de carbn, el aire secundario se introduce a veces mediante toberas, el chorro deaire se dirige desde las paredes hacia abajo, con un cierto ngulo, de forma que incida sobre lasuperficie de carbn ardiendo, para realizar as una buena mezcla con la materia voltil que sedesprende.

El humo se forma a partir de los alquitranes destilados del carbn que escapan antes de que se produzca su combustin completa, apareciendo dos tipos; el humo pardo, formado por alquitranesdesprendidos del carbn fro, al aadir ste sobre superficies calientes durante la carga, siendo estoshumos fciles de quemarse completamente, y el humo negro, consistente en partculas de carbn procedentes de la destilacin a alta temperatura. Para eliminar ste ltimo, no basta una combustincon exceso de aire, siendo necesario elevar la temperatura de la llama.

As pues, para eliminar el humo se necesita, una mezcla adecuada de aire y combustible, y unatemperatura elevada de la llama. La composicin de los productos de la combustin depende de lasconstantes de equilibrio de las diferentes reacciones qumicas que se deben considerar a partir de lacomposicin del combustible. La velocidad de reaccin aumenta al aumentar la temperatura, pero al


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aumentar sta tambin se produce un aumento de los fenmenos de disociacin, en general, absorbenenerga, lo que hace descender la temperatura de la llama, por otra parte, en el ambiente en que sedesarrolla la llama se producen una serie de prdidas por conveccin y radiacin, que tambin hacen bajar la temperatura de la llama.

Como consecuencia de todo lo anterior, se desprende que la temperatura de la llama disminuye por el exceso de aire, por las reacciones de disociacin y por el ambiente en que se desarrolla,deducindose que si se quiere elevar la temperatura de la llama ser preciso precalentar el airecomburente.

Debe destacarse que la velocidad de reaccin en la llama se duplica triplica cada 10C deaumento de su temperatura. La combustin del carbn se realiza en tres fases diferentes, en la primera, por efecto del calor, se produce el desprendimiento de la materia voltil; en la segunda, la materia

voltil arde en fase gaseosa; por ltimo, en la tercera fase se quema el residuo de carbono que quedaen forma slida.

Cuando se calienta carbn a alta temperatura se produce un desprendimiento de hidrocarburos,anhdrido carbnico, hidrgeno, vapor de agua y alquitranes que constituyen la materia voltil. Laliberacin de esta materia voltil depende de la velocidad de calentamiento de la masa de carbn y dela superficie que esta masa tenga, por ello en la actualidad se estn desarrollando tcnicas decombustin basadas en el carbn pulverizado, ya que la superficie que presenta a la destilacin esmxima. El coque obtenido, en estado slido, arde ms despacio, pues prcticamente es carbono puro.


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3.8 LA GASIFICACIN DE COMBUSTIBLES SLIDOSLa gasificacin es un proceso termoqumico por el que se transforma el carbn en un gas

combustible (gas de sntesis), mediante oxidacin parcial con aire, oxgeno o vapor de agua.

A diferencia de los procesos de combustin de carbn, la gasificacin se realiza con defecto deoxgeno. De esta forma, el

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Fuentes de Energia No Renovable el Carbón 1