UNIVERSIDAD AUTNOMA DE COAHUILA

FACULTAD DE METALURGIA

COMBUSTIN

INDICE1. Definicin2. Clasificacin de los combustibles3. Comburentes3.1 Aire3.2 Propiedades y Definiciones4. Estequiometria de las combustiones4.1 Combustin completa4.2 Combustin Incompleta4.3 Combustin Estequiometrica4.3.1 Poder Carburivoro4.3.2 Poder Fumigeno4.3.3 Coeficiente de Exceso de aire5. Poder calorfico5.1 Poder Calorfico Inferior5.2 Poder Calorfico superior6. Ecuaciones sobre carburacin6.1 Ecuacin de Dulong6.2 Ecuacin de Parr6.2.1 Calculo de Base mineral-Materia-Libre6.3 Ecuacin de Chermin y Van Krevelen6.4 Ecuacin de Brame y King7. Combustin y contaminacin ambiental8. BibliografaPg.3344555666668888891010121314

1.- DEFINICIONLa combustin es un conjunto de reacciones de oxidacin con desprendimiento de calor, que se producen entre dos elementos: el combustible, que puede ser un slido, un lquido o un gas y el comburente como Oxgeno.

Para que la combustin tenga lugar han de coexistir tres factores: Combustible. Comburente. Energa de activacin.

La mayora de los combustibles, estn compuestos, bsicamente, por Carbono (C) e Hidrgeno (H); adems de estos componentes principales tienen otros como Azufre (S), Humedad (H2O), Cenizas, etc.Las reacciones de combustin son:C + 02 = C02 + Calor (28,0kWh/kgC02)2 H2+ 02 = 2H20 + Calor (39,47kWh/kgH2)En la prctica los combustibles pueden definirse de la forma Cx Hy , dando lugar a las siguientes ecuaciones:CxHy + n 02 x C02 + (y/2) H20 + Calor

2.- CLASIFICACION DE LOS COMBUSTIBLESTodos los combustibles industriales se caracterizan por estar constituidos por mezclas o combinaciones de pocos elementos. La mayor proporcin (en peso) corresponde a Carbono, Hidrogeno y en muchos casos algo de Azufre, elementos cuyas reacciones de combustin son exotrmicas.El resto, mucho ms reducido cuantitativamente, esta constituido por Oxigeno, Nitrgeno, agua, y cenizas (slices, compuestos organometlicos de vanadio y otros, arcillas, sales de sodio y otros, xidos de hierro, etc), su presencia representa problemas tecnolgicos especficos de cada combustible.La clasificacin de los combustibles convencionales puede realizarse de diferentes formas. Atendiendo a su origen, pueden ser fsiles o no fsiles, segn procedan o no de restos fermentados de seres vivos, sepultados en la era secundaria. Segn su grado de preparacin se clasifican en naturales, su utilizacin es directa tal y como aparecen en origen, y elaborados o manufacturados, que deben ser sometidos a complejos tratamientos o incluso a preparacin qumica especifica.Dependiendo de la fase en que se presenten: combustibles slidos, lquidos y gaseosos. La fase es uno de los factores determinantes en el diseo de los dispositivos de combustin as como en el de las instalaciones de preparacin y manejo del combustible.CLASIFICACION DE COMBUSTIBLES INDUSTRIALES

Maderas y Residuos Vegetales

Turbas

NATURALESCarbnLignitos

SOLIDOSHullas

Antracita

Coques (Carbn y Petrleo)

ARTIFICALESAglomerados y Briquetas

Carbn Vegetal

ALCOHOLESNaturales (Fermentacin s Hidrlisis)

Artificiales

LIQUIDOSRESIDUALESLejas Negras

DERIVADOS DEL PETROLEOGasleos

Fuelleos

RESIDUALESFuel-Gas

GAS NATURALDiferentes Familias

GASES LICUADOS DEL PETROLEO (GLP)Propanos y Butanos

Gas de Alto Horno

GASEOSOSGas de Coque

ARTIFICALES o ELABORADOSGas Pobre

Gas de Agua

Gas Ciudad

BIOGAS

3.- COMBURENTES3.1 AIREEl comburente es el agente que aporta el oxgeno a una reaccin de combustin y la fuente ms usual y econmica de oxgeno disponible es el aire.Como el reactivo ms econmico es el aire, que adems es gratis, las reacciones de combustin se realizan invariablemente con ms aire del que se necesita, para asegurarse en proporcionar oxgeno en cantidad estequiomtrica al combustible.

3.2 PROPIEDADES Y DEFINICIONESEn el manejo de las ecuaciones de reacciones de combustin generalmente se emplean algunos conceptos importantes a saber:Aire terico o requerido: es la cantidad de aire que contiene el oxgeno terico.Oxgeno terico: Son las moles (para un proceso intermitente) o la velocidad de flujo molar (para un proceso continuo) de oxigeno que se necesitan para efectuar la combustin completa del combustible en el reactor, suponiendo que todo el carbono del combustible se oxida para formar CO2 y todo el H2 se oxida para formar H2O.Exceso de aire: es la cantidad de aire en exceso con respecto al terico o requerido para una combustin completa.Para el clculo del coeficiente de exceso de aire pueden emplearse las siguientes expresiones equivalentes: O2 que entra al proceso - O2 requerido% de exceso de aire = ----------------------------------------------------- x 100 O2 requerido

O2 de exceso% de exceso de aire = ----------------------------------------------------- x 100 O2 de entrada - O2 de exceso

4. ESTEQUIMETRIA DE LAS COMBUSTIONESLa estequiometria de la combustin se ocupa de las relaciones msicas y volumtricas entre reactivos y productos. Los aspectos a determinar son principalmente: Aire necesario para la combustin Productos de la combustin y su composicin

4.1 COMBUSTION COMPLETAConduce a la oxidacin total de todos los elementos que constituyen el combustible. En el caso de hidrocarburos:

Carbono C02Hidrogeno HAzufre S02Nitrgeno * N2Oxigeno ---Participar como oxidante

*El Nitrgeno se considera como masa inerte, si bien a las altas temperaturas de los humos pueden formarse xidos de nitrgeno en pequeas proporciones (del orden de 0,01%).4.2 COMBUSTIN INCOMPLETALos componentes del combustible no se oxidan totalmente por lo que aparecen los denominados inquemados, los ms importantes son CO y H; otros posibles inquemados son Carbono, restos de combustible, etc.4.3 COMBUSTION ESTEQUIOMETRICAEs la Combustin Completa realizada con la cantidad estricta de oxgeno; es decir, el aire empleado en la combustin es el mnimo necesario para contener la cantidad de oxgeno correspondiente a la oxidacin completa de todos los componentes del combustible.La expresin de esta combustin es:CxHy + n Aire (02 + N2) x C02 + (y/2) H20 + 0,79 nN2 + Calor (Q)En este caso 0,21 n = x + (y/4), siendo el calor generado es el correspondiente a la combustin completa.La combustin estequiomtrica permite definir los parmetros caractersticos de los combustibles:4.3.1 PODER COMBURIVOROEs la cantidad de aire seco, medida en condiciones normales (T =0C y P=1atm), mnima necesaria para la combustin completa y estequiomtrica de la unidad de combustible.4.3.2 PODER FUMIGENOEs la cantidad de productos de la combustin (Nm3) que se producen en la combustin estequiomtrica de la unidad de combustible.4.3.3. COEFICIENTE DE EXCESO DE AIRELa mayor parte de las combustiones no transcurren en estas condiciones ideales (completa y estequiomtrica), el principal aspecto a considerar ser la posibilidad de que la combustin transcurra con exceso o defecto de aire, para caracterizar la proporcin de oxigeno se define el parmetro "coeficiente de exceso de aire"As la combustin puede ser clasificada en: COMBUSTION CON DEFECTO DE AIRELa cantidad de aire utilizada no contiene el oxgeno necesario para oxidar completamente a los componentes del combustible.CxHy +14 (02 + N2) C02 + CO + H2 + H20 + 0,79 n 2 N2 + Calor (Q)Adems de los productos normales de la combustin, Dixido de carbono (CO2) y Agua (H2O), se producen inquemados como el Monxido de Carbono (CO) e Hidrgeno (H2); en algunos casos con mucho defecto de aire puede haber incluso carbono y combustible sin quemar, en los humos.El calor producido es inferior al de la combustin completa (Qi < Q). COMBUSTION CON EXCESO DE AIREEn este caso la cantidad de aire aportada es superior a la correspondiente a la combustin estequiomtrica; la combustin en estas condiciones puede ser completa o incompleta. COMPLETACxHy +14 (02 + N2) x C02 + (y/2) H20 + 0,21 (14 - n) 02 + 0,79 n, N2 + Calor (Q) 0,21 n >x + y/4Al emplearse ms aire que el estrictamente necesario, en los humos se da la presencia de oxgeno.El calor generado (Q) es el correspondiente a la combustin completa. INCOMPLETALa cantidad de aire utilizada es superior a la correspondiente a la combustin estequiomtrica, pero a pesar de ello, debido fundamentalmente a que no se ha logrado una buena mezcla entre el combustible y el aire, los componentes del combustible no se oxidan totalmente.CxHy + n, (02 + N2) C02 + CO + H2 + H20 + 02 + 0,79 n, N2 + Calor (Q2)Respecto a la combustin incompleta con defecto de aire, en los productos de la combustin tambin se tiene oxgeno; en casos extremos en los humos puede haber carbono y combustible sin quemar.El calor producido es inferior al de la combustin completa (Q? < Q).La combustin estequiomtrica prcticamente es irrealizable, lo que obliga a operar con excesos de aire con el fin de lograr combustiones completas.El calor producido en la combustin completa es independiente del exceso de aire, pero el aprovechamiento de este calor es tanto menor cuanto mayor es el exceso de aire con el que se trabaja, ya que una parte del calor de la combustin se utiliza en calentar a los humos y stos aumentan con el exceso de aire; por todo ello, en la prctica se buscan combustiones completas con los menores excesos de aire posibles; esto se consigue con una adecuada puesta a punto de los elementos que intervienen en la combustin (lneas de combustible, quemadores, calderas y chimeneas) y un correcto mantenimiento.Para obtener una correcta combustin debe lograrse una buena mezcla del combustible con el aire; en este sentido los combustibles gaseosos presentan mayor facilidad de mezcla que los lquidos y stos a su vez ms que los slidos; por este motivo pueden obtenerse menores excesos de aire con los combustibles gaseosos.5. PODER CALORIFICO Se define como Poder Calorfico de un combustible, a la cantidad de calor que se obtiene de la oxidacin completa, a presin atmosfrica, de los componentes de la unidad de masa (o volumen) de dicho combustible.En la combustin, por la oxidacin del hidrgeno, se forma agua; adems, los combustibles pueden tener un cierto grado de humedad en su composicin; dependiendo del estado en que aparezca el agua en los humos, se distinguen dos tipos de poderes calorficos:5.1 PODER CALORIFICO INFERIOR (PCI)Es la cantidad de calor que puede obtenerse en la combustin completa de la unidad de combustible, si en los productos de la combustin el agua est en forma de vapor.En este caso una parte del calor generado en las oxidaciones se utiliza para evaporar el agua, por tanto esta parte del calor no se aprovecha.5.2 PODER CALORIFICO SUPERIOR (PCS)En los productos de la combustin el agua aparece en forma lquida, por lo que se aprovecha todo el calor de oxidacin de los componentes del combustible.Habitualmente el agua se evacua con los humos en fase vapor, por lo que el poder calorfico ms comnmente utilizado es el inferior.6. ECUACIONES SOBRE CARBURACION 6.1 ECUACIN DE DULONGMtodos de aproximacin del valor calorfico y anlisis de combustibles.En trabajos de prueba es frecuentemente necesario saber los valores calorficos o los ltimos anlisis de combustibles cuando el aparato requerido para tales determinaciones no est disponible. Un nmero de mtodos empricos han ido evolucionado para este propsito, y, aunque a menudo son inexactos, puede ser necesario el uso de ellos cuando faltan datos reales. La frmula de Dulong da el mtodo ms satisfactorio para calcular el valor de calentamiento de los combustibles slidos. La frmula es: B.T.U. por lb =14,544 C + 61,500 (H - ) + 4500 SO8

Donde:C = la fraccin de carbn.H = la fraccin de hidrgeno.O = la fraccin de oxgeno.S = la fraccin de azufre.

El probable error en el uso de esta frmula es alrededor del 2 por ciento, excepto en el caso de carbones cannel y carbones de alto contenido de oxgeno, como lignitos y carbones midwest bituminosos, en la que el error puede ser ms alto. Con los combustibles de petrleo el por ciento de error puede ser de hasta un 8 por ciento. Este mtodo, adems del error introducido, tiene la desventaja de requerir el largo anlisis final.

6.2 ECUACIN DE PARRS.W. Parr public un mtodo de clasificacin basado en el valor de calor de lo que l llama "sustancia unidad de carbn". La determinacin de la cantidad de carbn puro se obtiene mediante la correccin del anlisis prximo ordinario y consiste en permitir la ceniza, humedad, y azufre as como la parte inerte de la materia voltil.El valor de calentamiento de la sustancia unidad de carbn est dada por la siguiente ecuacin:Valor calrico: Indicado B.T.U. por lb 5000 x fraccin de azufre1.00 - (1.08 x fraccin de Ceniza + 22/40 x fraccin de azufre)

Sobre la base del valor de calor de la sustancia unidad de carbn, Parr dise la siguiente tabla:

Valor calrico de la Unidad de Carbn de Sustancias Despus de Parr.Valor calrico de Sustancia Carbn Unidad, B.T.U. por Lb.

La celulosa y madera Turba Lignito, marrn Lignito, negro, o el carbn sub-bituminoso El carbn bituminoso El carbn bituminoso (campo oriental) Semi-antracita y semi-bituminoso Antracita6,500- 7,800 7,800-11,500 11, 500-13 ,000 13,000-14,000 14,000-15,000 15,000-16,000 15,500-16,000 15,000-15,500

Desde este cuadro no es completamente satisfactorio, debido en particular a la falta de progresin regular en los grados ms altos de carbn, Parr luego traza el valor de calentamiento de la unidad del carbn contra el "porciento de materia voltil en la unidad de carbn"Carbono fijo, determinado1.00 - (1.08 Ceniza + 22/40 azufre)Unidad de Carbono fijo =

porcentaje de materia voltil en la Unidad Carbn = 1,00.- Unidad de Carbono fijo.6.2.1 Clculo de Base Mineral-Materia-Libre

Para la clasificacin de carbn segn el rango, el clculo de carbono fijo y el poder calorfico superior a la Materia mineral-libre se puede calcular de acuerdo con las frmulas de Parr.

Seco, Mm-libre FC = 100 (FC-0.15s) / (100 - (M + 1.08A + 0.55S)Seco, Mm-libre VM = 100 -, Mm-libre FC secoHmedo, Mm-libre BTU = 100 (Btu - 50S) / (100 - (1.08A + 0.55S)

Donde:BTU =FC =VM =M =A =S =Calorifico, BTU / lb% Carbn fijo% Materia voltil% Humedad% Cenizas% Azufre

6.3 ECUACIN DE CHERMIN Y VAN KREVELENUn diagrama de estabilidad de la llama generalizada para su uso en tales clculos ha sido propuesto por Van Krevelen y Chermin. Estos autores encontraron que es posible reducir los diagramas de estabilidad individuales para hidrocarburos, hidrgeno, monxido de carbono, y sus mezclas a un diagrama generalizado mediante el uso de gradientes de velocidad lmite reducida adimensionales gR y concentraciones FR. Estos parmetros se definen por las ecuaciones.gR = g/gMDonde gM es el gradiente en el pico de la curva, yFR = 1 + (F FM), donde F es la concentracin de gas combustible expresado como fraccin de estequiometria; FM es el valor de F que corresponde al pico de la curva; y es una medida inversa de la anchura del valor medio de la curva, normalizada de tal manera que para el metano, = 1. El diagrama de estabilidad generalizada se muestra en la siguiente figura:

El diagrama muestra una familia de curvas de soplado que estn determinadas por el porcentaje de hidrgeno en la mezcla inerte libre. Para las mezclas de gases combustibles, los parmetros se calculan a partir de las ecuaciones.Los valores numricos de gM, FM, y de gases combustibles en el aire puro se muestran en la siguiente tabla.Gas combustiblegM (sec.-1)FM

CH4C2H6C3H8C2H4C3H6C6H6H2CO (gas puro)4006505801,40080072010,500(100)1.001.131.121.101.141.091.20(1.39)1.000.800.600.630.680.630.46

6.4 ECUACIN DE BRAME Y KINGCuando el carbono se quema en oxgeno con la formacin de dixido de carbono, los pesos de material en cuestin y el calor desprendido pueden ser expresados por una ecuacin termoqumica, as:C12 gramosCarbnO232 gramosOxigenoCO244 gramosDixido de Carbono97,644Caloras++=

y cuando el hidrgeno se quema con la formacin de agua a presin constante como:H22 gramosHidrogenoO16 gramosOxigenoH2O18 gramosAgua (condensada)Agua como (vapor)69,000Caloras++=+58,100

De ello se deduce que 1 gramo de carbn da 8,137 cals. (14,646 B.T.U.) , y 1 gramo de hidrgeno 34,500 CAL. (62,100 B.T.U.), si el vapor producido se condensa a agua a 0C; Si el vapor permanece como tal en 100C, 29,050 CAL. (52,290 B.T.U.).El valor calrico calculado (bruto) de cualquier combustible que contiene slo estos dos elementos se encuentra desde la ecuacin: (% Carbn x 8137) + (% Hidrogeno x 34,500)100= caloras (bruto)

Un gran nmero de combustibles ya contienen oxgeno, y por eso una cantidad ms pequea de este gas ser requerida para su consumo, y el calor producido ser proporcionadamente menos. La suposicin es hecha que cualquier oxgeno presente est ya totalmente en combinacin con hidrgeno; de nuevo, este seguramente no es el caso, pero ya que nada se conoce definitivamente en cuanto a la distribucin real de oxgeno entre el hidrgeno y otros elementos presentes , que proporciona la nica hiptesis de trabajo posible. Desde que es sabido que en agua 8 partes por peso de oxgeno es combinado con 1 parte de hidrgeno, es acostumbrado deducir del hidrgeno total una cantidad igual para de un octavo del presente de oxgeno, llamando el resto el hidrgeno disponible. La frmula est dada por:(%C x 8137) + [(H O/8) x 34,500]100Caloras (bruto) por gramo =

En la forma ms completa, algo semejante como puede ser aplicado a carbones, la siguiente frmula extendida es utilizada: (C x 8137) + [H x 34,500] + (S x 2220) (H2O x 600) 100Caloras =(O+N-1)8

Aqu una deduccin fija de 1 por ciento, est hecha para el nitrgeno presente en el combustible, este ser considerado como un promedio justo, aunque algo baja para carbones ingleses; El azufre, en la forma de piritas, es considerado como suministro de calor, y una deduccin aproximada se hizo para la evaporacin de la humedad presente en el combustible.En el caso de combustibles gaseosos el valor calorfico no debe calcularse de los componentes elementales, sino de la suma de los valores calorficos de los gases constitutivos mismos, los valores por los que est bien establecidos, y se dan en la siguiente tabla.

Composicin, de pies cbicos por libra, peso de 1 pie cbico y el valor calorfico de los gases quemados a volumen constante.

Gas

FormulaPeso por ft3Ft3 por lbValor calorfico in BTU por ft3

En 0C y 760 mmEn 60F y 30mm

En 0CEn 60FEn 0CEn 60FBrutoNetoBrutoNeto

OxigenoNitrgenoAireDixido de CarbonoHidrogenoMonxido de carbnMetanoEtanoEtilenoPropilenoAcetilenoBencenoO2N2---CO2H2COCH4C2H6C2H4C3H6C2H2C6H60.08940.07860.08070.12340.00560.07810.04470.08370.07830.11780.07270.22350.08440.07420.07640.11680.00530.07390.04220.07920.07400.11110.07030.211511.2012.7312.408.10178.5012.8022.3811.9512.778.5213.254.4811.8513.5013.108.56188.7013.5023.7012.6113.509.0014.234.73--------342.8341.81063.01852.01670.02469.01556.04018.0--------289.0341.8954.41694.01564.02306.01500.03845.0--------325.2323.51010.01762.01580.02342.01475.03803.0--------274.2323.5905.51609.01480.02188.01423.03564.0

7. COMBUSTION Y CONTAMINACION AMBIENTALA la hora de seleccionar el combustible y de optimizar el proceso de combustin se deben considerar aspectos relacionados con la emisin de agentes polucionantes. Las normas actuales restringen estas emisiones, y de hecho uno de los factores ms importantes en el diseo de dispositivos de combustin en la actualidad reside en el control de emisiones contaminantes.

8. BIBLIOGRAFIA LA COMBUSTION. Edelmira Valero Ruiz.

MANUAL DEL GAS Y SUS APLICACIONES. SEDIGAS. 1.991.

MANUAL DE EFICIENCIA ENERGETICA TERMICA EN LA INDUSTRIA. Luis Alfonso Molina Igartua, Gonzalo Molina Igartua CADEM 1.984.

LA COMBUSTION DEL GAS NATURAL EN LAS CALDERAS DE VAPOR. Virgilio Martnez Lombardo. ENAGAS 1.990.

LES OXIDES DZOTE (HORS CARBURATION). NUISANCES, FORMATION, REDUCTION, MESURES, REGLAMENTATION. Revue gnrale de Thermique. 1989.

FLAME & COMBUSTION. J.A. Barnard - J.N. Bradley. Chapman and Hall 1985.

SULPHUR DIOXIDE & NITROGEN OXIDES IN INDUSTRIAL WASTE GASES: EMISSION, LEGISLATION & ABATEMENT. Edited by Daniel Van Velzen. EURO COURSES. Chemical & environmental science. Vol. 3.

FUELS AND THEIR COMBUSTIONS. Rober T. Haslam and Rober P. Russell. McGRAWN HILL BOOK COMPANY INC. 1926

FUELS. SOLIDS, LIQUIS AND GASEOUS. J. S. S. Brame, F.C.S. EDWARD ARNOLD. 1914

COMBUSTION, FLAMES AND EXPOSITIONS OF GASES. Bernard Lewis. ACADEMIC PRESS INC. 1961