propiedades de los combustibles

7/23/2019 Propiedades de Los Combustibles

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PROPIEDADES DEPROPIEDADES DE

LOS COMBUSTIBLESLOS COMBUSTIBLES

Erika Arenas

Instituto Energía y Termodinámica

Universidad Pontificia Bolivariana

ClasificaciClasificacióón combustiblesn combustibles

Por su estado: Sólidos: carbón, residuos agrícolas (bagazo,

cascarilla de arroz), residuos sólidos urbanos(RSU)

Líquidos: petróleo, gasolinas, diesel, alcohol Gaseosos: gas natural, GLP (Gas licuado de

petróleo), hidrogeno



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Por encuentran o no en la naturaleza Naturales: Se encuentras directamente en la

naturaleza. ejm: carbón, petróleo, gas natural,leña , pastos, gas combustible (CO,H2),metanol, bio-diesel, bio-etanol

Artificiales o secundarios: Son productos delprocesamiento de los combustibles naturales.

ejm: coque, gas combustible (CO,H2),metanol, bio-diesel, bio-etanol, derivados delpetróleo.

Por su capacidad de renovación Renovables: Obtenidos a partir de Biomasa:

residuos, leña , pastos, gas de síntesis (CO,H2), metanol, bio-diesel, bio-etanol

No renovables: combustibles fósiles y susderivados



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Existen propiedades físicas y químicas queafectan la combustión y procedimientosasociados: Rendimiento energético Emisión de contaminantes Almacenamiento y transporte

COMBUSTIBLESCOMBUSTIBLES

SSÓÓLIDOSLIDOS



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Propiedades QuímicasComposición: Indica cuales son loscompuestos o elementos que conforman elcombustible. Análisis Próximo y ElementalReactividad: Índice de la velocidad con lacual se consume el combustible durante la

combustión

Análisis Próximo o Inmediato: indicala cantidad de humedad, materialvolátil, carbono fijo y cenizas,

adicional al poder calorífico superior



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Humedad: Hum. Residual + Hum. Superficial Humedad Residual: Se determina mediante

calentamiento a 110°C durante 1 hora Humedad Superficial: Se determina mediante secado

con aire a Temperatura 10 o 15°C por encima delambiente, hasta que el peso no varíe mas de 0.1%en una hora

El contenido de agua Intrínseca: Inherente en la materia orgánica Extrínseca: Debida a las condiciones climáticas

Método de análisis de humedad residual y humedad superficial



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Material volátil Materia volátil: gases que se liberan por el

calentamiento de combustible sólido (calentar950°C,7 minutos en atmósfera inerte) .Compuesto por H2, CO2, CO, CH4,,Benceno

Alto contenido volátiles. Fácil encendido perobajo poder calorífico

Alto carbono fijo: mayor poder calorífico

Método de análisis de material volátil



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CenizasMaterial mineral no combustible, suproporción depende del tipo deexplotación de carbón en la minaSe determina mediante combustióncompleta de 1 gr de muestra (malla 60) a

750 C

Método de análisis de cenizas



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Cenizas Temperatura de fusión de cenizas: indica la

temperatura a la cual las cenizas se funden(formación de costras, afecta transferencia decalor)

Composición de las cenizas: contenido demetales o sustancias toxicas (v.g. Cadmio,Plomo, Mercurio)

Componentes de las cenizas



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Volatilidad de compuestos presentes en la ceniza

Mas volátil

Menos volátil

Biomasa: mayores contenidos encenizas de, Na y K que el carbón : masproblemas de incrustaciones y corrosiónen procesos termoquímicos (combustióny gasificación).

Índice de álcalis:kg de Óxidos K,Na/Poder calorífico Menor contenido de S, NO tiene Hg, As, Pb



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Carbono fijoMaterial que queda (menos la ceniza)después de la salida de la humedad yvolátilesAlto contenido volátiles. Fácil encendido pero

bajo poder caloríficoAlto carbono fijo: mayor poder calorífico

%CF= 100-%Hum. Total-%Ceniza-%Mat. volatil

Poder calorífico: cantidad de energía quese libera en la combustión total. Puede serreportada en dos formas: Poder calorífico superior: considera agua

liquida en los productos de combustión

(Bomba calorimétrica) Poder calorífico inferior: consideraagua vapor en los productosde combustión



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Método de análisis Poder calorifico

Clasificación ASTM de los carbones



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Análisis ElementalProporciona información

acerca del contenido decada elemento quecompone el combustible,tales como carbono,hidrógeno, oxígeno,azufre y nitrógeno; seutiliza para calcular losrequerimientos de airepara la combustión

Efecto contenido de N sobre emisiones de NO



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Composición promedio de carbones en Colombia

Fuente: U.S. Department of Energy. Benchmarkingbiomass gasificationtechnologies for fuels, chemicals

andhydrogen production. 2002.

Composición típica de algunas biomasas y carbones



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Reactividad: Determinación de lavelocidad a la cual ocurre la combustión.Pérdida masa vs. tiempo

ASUNTO DE LOS ING. QUIMICOS

Diseño del reactor !!!!

Propiedades FísicasDensidadGranulometría

Índice de moliendaÍndice de Hinchamiento



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Densidad a granel: relaciónmasa/volumen. Importante para: Costos de transporte Costos de almacenamiento Sistemas de alimentación a reactoresEn Biomasa MUY IMPORTANTE

Densificación : más materia menosvolumen. Pelletización, Chips, Briquetas.

Mas investigación reducir costosdensificación

Granulometría: Distribucióndel tamaño de partículasCon base en ésta se

determina el tamañopromedio del combustibleque se usa.



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Tabla equivalencia de mallas en diferentes sistemas

Quemador Tipo de carbón Granulometría

[pulgadas]

Generación de vapor

[lb/hr]

Retorta simple Bituminosos y antracitas 1 – 1 ½ 5000 - 50000

Retorta múltiple No aglomerante 2 40000 - 300000

Parrilla de carga

transversal

Todo tipo excepto

aglomerante bituminoso

1 10000 - 300000

Parrilla de carga

superior

Todo tipo de carbón ¼ - 1 ½ 10000 - 300000

Cada quemador requiere diferentegranulometría

Pulverizado: 80% menor que malla 200, 96.5% menor quemalla 100 y 99.5 menor que malla 50

Fluidizado: Lecho burbujeante 1 mm, Circulante 0.1-0.3 mm



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Índice de molienda:El índice de moliendaHardgrove caracteriza el trabajo que senecesita para llevar una muestra de uncarbón a una granulometría fina, indica lafacilidad con la cual el carbón puede serpulverizado.

Carbón mas duro Menor valor índice

Carbones de bajo rango como el lignitomenos duros y carbones de alto rangocomo la antracita mas duros.

CLAVE en selección de equipos de molienday pulverización



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Índice de Hinchamiento: establece lacapacidad de coquización de un carbón(capacidad de aglomeración)Varía entre 0 y 9,

0-3 no coquizables o térmicos>3 coquizables (coque uso en

producción de hierro)

Método cualitativo por comparación.Calentamiento a 820°C de 1 gr muestramalla 60, en crisolSe compara la forma del botón conestándares de formas que tienenequivalencia en numero de índice.

Importante en determinar el uso del carbón:térmico (combustión, gasificación)coquizable (coque)



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COMBUSTIBLESCOMBUSTIBLESLIQUIDOSLIQUIDOS

Los combustibles líquidos provenientes detres fuentes: Petróleo: Keroseno (fuel 1), Fuel o

combustoleos, Jet-fuel, gasolinas.... Biomasa

Extracción mecánica: Biodiesel Fermentación: Bioetanol Termoquímicos: Líquidos Fischer Tropsch

Carbón: Líquidos Fischer Tropsch



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Propiedades QuímicasComposición: Indica cuales son loscompuestos o elementos que conforman elcombustible. Análisis Próximo: humedad, material volátil,

carbono fijo y cenizas, adicional al podercalorífico superior

Análisis Elemental: carbono, hidrógeno,oxígeno, azufre y nitrógeno



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Composición promedio de Combustibles líquidos

Agua: El agua en petróleos y derivados puederesultar peligrosa, además de restar eficiencia enel proceso mismo de la combustión.Combustibles para caldera (Crudos, Fuel Oil) que

tengan cantidades considerables de aguaspueden causar que se presenten explosionesdentro de la caldera (por desplazamiento devapores)



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Corrosión por lámina de cobre: cubre la detecciónde la corrosividad al cobre por parte del petróleoy sus productos. Los compuestos de sulfuro quepermanecen en los productos del petróleo puedentener acción corrosiva sobre varios metales. Elefecto puede variar de acuerdo al tipo químico delos compuestos de sulfuro presentes.Propiedad critica para los lugares dealmacenamiento del combustible

Propiedades FísicasDensidadViscosidadPunto de FluidezPunto de inflamaciónResistividad eléctricaConductividad térmicaPresión de vapor



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Densidad API- Gravedad API: Una exactadeterminación de la densidad, densidad relativa(gravedad específica) o gravedad API delpetróleo crudo y sus productos, es necesariapara la conversión de volúmenes medidos avolúmenes y/o masas a la temperatura deprueba estándar que son los valores con los queesta legalmente permitida la venta de productosdel petróleo.

Se determina con hidrómetros especiales.Mayor grado API Menor densidad

Viscosidad medida de su fricción interna,o sea de su resistencia a fluir. IMPORTANTE flujo en tuberías y en

atomización Varía con la temperatura



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Punto de fluidez: temperatura mas baja a lacual la muestra pierde su capacidad de flujo o yano puede verterse.En los combustibles de calderas, si el rango de

temperatura desde donde se almacena elcombustible hasta las boquillas en la caldera esmuy bajo, esté puede dejar de fluir en algúnpunto y como consecuencia se detiene laoperaciónFuel 6: punto fluidez 46°C



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Presión de vapor: es la presión, dada unatemperatura, a la cual el liquido y el vapor seencuentran en equilibrio. Índice de volatilidaddel combustibleSi la presión de vapor es demasiado alta, elexceso de gases dentro de la bomba decombustible y en las tuberías reduce y hasta

interrumpe el flujo de combustible, lo cualcausa “burbujas de gas” que causanexplosiones repentinas.

Punto de Inflamación: punto en el cual lapresión de vapor es suficiente para formar algunamezcla inflamable entre el combustible y el aire.Se usa para demostrar los riesgos de

inflamabilidad de los productos derivados delpetróleo. Indica la presencia de materialesvolátiles en el producto, sirve para establecerregulaciones de seguridad de materialesinflamables y combustibles



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Limites de inflamabilidad: Limite inferior (LEL): menor porcentaje en

volumen de vapores de combustible en el airecapaz de sostener combustión

Limite superior (VEL): máximo porcentaje envolumen de vapores de combustible en el airecapaz de sostener combustión

Gasolina: 1.4-7.4 %vDiesel:0.5-5.0 %vH2:4-75%v †† Mas amplio limite

Resistividad eléctrica: indica la tendenciaa la presencia de cargas electrostáticasResistividad> 2x109 Ωm Posibilidad de

generar cargas durante bombeoGasolina: 2x1012 ΩmDiesel: 3x1010 ΩmSe reduce riesgos de carga reduciendo lavelocidad del fluido



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Mínima energía de ignición: mínimaenergía requerida para la ignición de unamezcla optima aire-combustiblePara la mayoría de hidrocarburos yalcoholes es del orden de 0.2MJUbicar puestas a tierra para evitar

acumulación de cargas

Conductividad térmica: indica la velocidad a lacual se transfiere energía mediante un procesodifusivo (conducción)Importante para diseño de sistemas deprecalentamiento

Varía entre 0.12-0.16 W/m-K

Calor específico : energía requerida paraaumentar en un grado la temperatura de unaunidad de masaVaría entre 0.4-0.52 kcal/kg-K



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Propiedades características de diferentes fuel o combustoleos

Características Crudo de Rubiales



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COMBUSTIBLESCOMBUSTIBLESGASEOSOSGASEOSOS

Los combustibles gaseosos pueden provenirde: Pozos de gas libre o asociado

Petróleo: Gas licuado de petróleo Biomasa y Carbón: gasificación: gas rico en H2y CO



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Propiedades QuímicasComposición: se expresa en términos deporcentaje en volumen.Determinado mediante cromatografía , análisisinfrarrojo u otros métodos.

Poder calorífico: con calorímetro de gas o a partirdel ∆Hrxn de combustión de cada uno de los

componentes del gas. Usualmente se expresa enEnergía /volumen



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Densidad: la cual se puede medirmediante dos métodos Medida directa: medir el peso de un volumen

de gas y volumen de aire igual (Gravedadespecifica o densidad relativa al aire)

Método balance de presión: Un recipienteconteniendo gas es contrabalanceado sobre unsoporte encerrado en un contenedor. El

sistema es balanceado ajustando la presión delaire dentro del recipiente. El procedimiento serepite con aire dentro del recipiente. Ladensidad relativa es la relación entre presiones

Densidad (ρ) también se puededeterminar a partir de ecuaciones deestado conociendo P,T y Peso molecular(M) Gas ideal: Mas común por su sencillez

PM=ρRT



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Índice de Wobbe (W): relación entre podercalorífico superior y densidad relativa alaire del gas (d)

Índice para clasificación internacional delos gases combustibles

PCS W

d =

Clasificación de los gases según índice de Wobbe



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Densidad relativa y PCS de algunos gases combustibles

Composición Gases naturales en Colombia



Complementar con articulo:

A review of the properties and hazards of some alternative fuels. G.R. Astbury. En:Process safety and environmentprotection. 86 (2008) p.397-414.

www. sciencedirect.com

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