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Seminario Combustión Industrial Aplicada y
Control de Contaminantes
Alfredo Barriga Rivera Ph.D.Coordinador del CDTSFIMCP ESPOL
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COMBUSTION INDUSTRIAL
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DEFINICION BASE
Es la reacción de oxidación rápida de un producto químico oxidable (combustible), liberando calor y emisiones lumínicas; la reacción se confina a una zona denominada “llama”, donde se produce la mayor parte de las reacciones del proceso. El oxidante es oxígeno molecular, generalmente suministrado como aire ambiental. Combustible y oxígeno deben estar en contacto.
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Definiciones Básicas en CombustiónCombustión:
Secuencia de reacciones químicas entre combustible y un oxidante, generalmente aire, por las cuales se libera energía calórica y luminosa en un ambiente confinado.
La zona donde tiene efecto se denomina cámara, hogar, u horno de combustión, que cumple las siguientes funciones:
• Permite ingreso de combustible y aire • Mezcla íntima de los reactantes• Confinamiento de reactantes y productos• Redistribución y almacenamiento de calor
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Combustión Completa:Cuando el combustible se oxida completamente, generando CO2, agua y demás productos de combustión.
Quemador:Componente donde se combina el combustible con aire, preparándolos para la combustión.
Combustibles:Los combustibles industriales son generalmente de origen fósil; los principales son fuel oil #2 (liviano) y fuel oil #6 (residual).
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COMBUSTION INDUSTRIAL
Las cámaras de combustión actúan como reactor. Están conformadas por paredes que retienen parte del calor. La llama se forma y fluye a través de la cámara. El “corazón es el denominado quemador.
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COM
BUST
IBLE
SGASES: Gas natural y gas licuado
LIQUIDOS: Diesel, bunker liviano, y residual, como bunker pesado
• SOLIDOS PULVERIZADOS: Como el carbón mineral, no son comunes en el medio local
• SOLIDOS GRUESOS: se queman en lecho fijo o lentamente móvil ( quema en parrilla)
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COMBUSTIBLES INDUSTRIALES
Son productos químicos, generalmente polímeros complejos, que contienen componentes fácilmente oxidables
Hidrocarburíferos: provienen de derivados del petróleo o carbón mineral.La antrancita es un carbón típicoCoke es producto procesado (pirólisis) de carbón mineralMetanoGas licuado: Mezcla de propano (C3H8) Butano (C4H10)DieselResiduales pesados
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Poder CaloríficoEs la energía que la masa del combustible puede liberar, debido a una reacción química de oxidación.
El poder calorífico típico de los combustibles fósiles es:
PCcomb.fósiles ≈ 19.500 Btu/lb = 10.000 kCal/kg
PODER CALORIFICO .
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Poder Calorífico Superior e InferiorEl agua formada por la oxidación del combustible puede
presentarse como líquido o como vapor; esto da origen a dos valores de poder calorífico:
PCSUPERIOR → Agua como líquidoPCINFERIOR → Agua como vapor
Nota: Generalmente el agua no se condensa en la cámara de combustión, por lo cual para efectos de cálculo se toma el poder calorífico inferior.
Para combustibles hidrocar buriferos líquidos esta entre 40 a 45 M Joule/kg en base volumétrica dependiendo de la densidad.
Para el fuel-oil será entre 41 -43 M Joule/kg.
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0.020.040.08Cenizas
2.24.710.33HexanoInsoluble %
49129690(cSt @ 38 GradC )
Viscosidad
24.721.517.3API
0.160.260.41N
11.8510.2311.03H
87.9487.1186.25Carbono %
0.501.02.2% S (masa)
BajoIntermedio
ElevadoPropiedad
Contenido de S
Propiedades de Fuel Oils de acuerdo a
Contenido de S
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BajoIntermedioElevado
5913Hierro
51025Sodio
102041Níquel
70155350Vanadio
Metales (ppm)
Propiedades de Fuel Oils de acuerdo a
Contenido de S
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Relación entre Poder Calorífico y Densidad en los Fuel Oils
42.07 – 42.430.96 – 0.97Residual6
40.98– 41-700.92 – 0.95Residual5
40.47 – 40.640.90 – 0.91Residual4
38.91 – 40.280.86 – 0.90Destilado2
37.91– 38.940.80 - 0.85Destilado1
Poder Calorífico Superior* GJ/m3
Densidad Ton/m3
TipoFuel Oil No.
* Canadá y USA emplean el Poder Calorífico Superior- PCS. Otros países el PC
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Química de la Combustión
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REACCIONES BASICAS
C+O 2 CO 2El aire contiene 79/21 partes de nitrógeno molecular por cada parte (mol) de O2. La fracción es equivalente a 3.76 , por lo que el aire puede expresarse como: O2 + 3.76 N2, por tantoC+ (O2 + 3.76 N2 ) CO2 + 3.76 N2
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PRESENCIA DE HIDROGENO
Los combustibles hidrocarburíferos contienen hidrógeno además de oxígeno. Este también participa en la reacción de oxidación y genera agua como producto de la combustión
CH4+2O 2 CO 2+ 2H2O
Donde 2 moles de O2 oxidan tanto el carbono como el hidrógeno presentes en el metano
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REACCIONES BASICAS DE COMBUSTION
El combustible hidrocarburífero puede expresarse como CxHy, otra manera más simplificada es la forma CH y/x, indicando que se tiene y/x átomos de H por cada átomo de C.
La reacción que contiene la cantidad de oxígeno justa para oxidar todo el material oxidable del combustible sería:
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Reactantes:
CH y/x + (1 + y/4x) ( O2 + 3.76 N2)
Productos:
CO2 + ( y/2x) H2O + 3.76 (1+ y/4x) N2
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PRESENCIA DE EXCESO DE AIRE
La buena combustión requiere de un poco más de aire que el estequiométrico. Se puede introducir por un lado el llamado Factor de aire estequiométrico, que es la relación entre aire real y aire estequiométrico.En cálculos técnicos se prefiere el Factor de Exceso de Aire que implica la fracción adicional de aire en relación al estequiométrico
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REACCION DE EXCESO DE AIRE
La reacción de combustión de CH4
con 20% de exceso de aire quedaría:
ReactantesCH4+ (1+0.20) (1+ 4/4 ) (O2 + 3.76 N2)
ProductosCO2+2H2O + ( 1 + 0.20) ( 1+4/4).3.76 N2 + 0.20 (1+ 4/4) O2
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Para la combustión completa de Metano con exceso de Aire de 20%, el número de moles totales en productos será (Ntp):
Ntp. = 1+2+(1+0.20)*(1+4/4)*3.76+0.2*(1+4/4)
Ntp= 12.424 (incluye agua en el producto)
Mientras que en base seca (b.S) este número es
(Ntp) =1+ (1+0.20)*(1+4/4)*3.76+0.2*(1+4/4)
Ntp=10.424 (no incluye agua en los productos)
CONCENTRACIÓN DE GASES EN PRODUCTOSLa reacción de combustión presentada anteriormente genera un número de moles totales NT
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Para un Fuel oil pesado típico y/x= [1.5 -1.8] Para y/x = 1.6Con un exceso de aire del 20% (base seca)
Ntp=(1+(1+0.20)*(1+1.6/4)*3.76+0.2*(1+1.6/4)
Ntp = 7.6
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(CCO2) bs=N CO2 / NT = 1/7.6 = 0.131 o sea 13.1 %
Tabulando , para x/y =1.6, en base seca
Por lo tanto la Concentración de gas (mol/mol) en productos, En base seca será:
0.0370.1317.60.20 (20%) 0.15 (15%) 0.10 (10%)
0.05 ( 5 %)
CO2CCO2NtpEA
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Esta relación depende tanto del tipo de combustible (y/x) como del exceso del aire
Para el caso estequiometrico (ea=0):
Relación Aire Combustible en base Masa (a/f)
Maire=(32+3.76*28)=137.28 g/mol
Mf=(12+y/x)
Mf
Mairexy
fa).1(
).4
1(/
+=
Y en presencia de Exceso de Aire
Mf
Mairexyea
fa).1(
).4
1)(1(/
++=
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y/x (ma/mf) Esteq (ma/mf) real 2.521.6 14.13 16.96
Ejemplo
con exceso de aire 20%
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Composición real de Combustibles
Mineral
0.0112.5S
N
0.01341.5O
1.7112H
184C
Ni/Ncmi/m toti
Mineral
0.3.5S
0.06970.5N
O
1.39510%H
186 %C
Ni/Ncmi/m toti
CASO 1 CASO 2
En base a los pesos moleculares se puede expresar una molécula de la forma
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Los coeficientes y/x, w/x, z/x se obtiene en base a las masas (m) y masa moleculares (M) de los elementos respectivos
Asi, y/x es el cociente entre el número de mole de H y número de moles de C (NH/NC)
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛==
H
C
C
H
C
H
MM
mm
NN
xy
Similarmente para los otros
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++++ 2222 2NO
xuSO
xwOH
xyCO
Luego se procede a plantear la ecuación de combustión, de la siguiente forma:
En los reactantes:
En los productos:
22 )24
1()24
1)(1(76.3 Oxz
xu
xw
xyeaN
xz
xu
xw
xyea −++++−++++
( )22 76.3)24
1)(1( NOxz
xu
xw
xyeaNOSCH
xu
xz
xw
xy +−+++++
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Los valores del caudal emitido [Q] por cada uno de los contaminantes desde la chimenea, utilizamos las relaciones estequiometricas de la ecuación de combustión a partir del consumo de combustible
En donde:Ncont= numero de moles del contaminante en la ecuaciónPMcont= peso molecular del contaminantePMcomb= peso molecular del combustible
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Ejemplo
Mineral2.5S
0N1.5O12H84C
mi/mt (100%)i
0.0000u/x0.0134z/x0.0112w/x1.7143y/x
Coeficientes de la molécula de combustible
![Page 33: Seminario Combustión Industrial Aplicada y Control de ... AB.pdf · Cenizas 0.08 0.04 0.02 Hexano 10.33 4.7 2.2 Insoluble % (cSt @ 38 Grad 690 129 49 C ) ... Ntp= 12.424 (incluye](https://reader038.vdocumento.com/reader038/viewer/2022102919/5a7204e47f8b9a9d538d4b61/html5/thumbnails/33.jpg)
0.287O26.466N2
0.0000NO20.0112SO2
0.857H2O1CO2
Coeficiente de los Productos
Analisis de Concentración en base seca 7.7636
0.128805810.00143756
00.832839960.03691666Concentracion de O2
Concentracion de CO2Moles Totales en los productos
Concentracion de SO2Concentracion de NO2Concentracion de N2
Exceso de Aire 20%
![Page 34: Seminario Combustión Industrial Aplicada y Control de ... AB.pdf · Cenizas 0.08 0.04 0.02 Hexano 10.33 4.7 2.2 Insoluble % (cSt @ 38 Grad 690 129 49 C ) ... Ntp= 12.424 (incluye](https://reader038.vdocumento.com/reader038/viewer/2022102919/5a7204e47f8b9a9d538d4b61/html5/thumbnails/34.jpg)
Termodinámica de la Combustión
La temperatura de gases depende de temperatura de gases de entrada, del calor especifico de los gases, exceso de aire y principalmente del poder calorífico del combustible
gg
faire
Cpm
PCmTTg
..
.
+=
![Page 35: Seminario Combustión Industrial Aplicada y Control de ... AB.pdf · Cenizas 0.08 0.04 0.02 Hexano 10.33 4.7 2.2 Insoluble % (cSt @ 38 Grad 690 129 49 C ) ... Ntp= 12.424 (incluye](https://reader038.vdocumento.com/reader038/viewer/2022102919/5a7204e47f8b9a9d538d4b61/html5/thumbnails/35.jpg)
fag mmm +=
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+⎟
⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=⎟
⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
f
f
f
a
f
g
mm
mm
mm
1+⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=⎟
⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
f
a
f
g
mm
mm
gf
a
aire
Cpmm
PCTTg
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+=
1
![Page 36: Seminario Combustión Industrial Aplicada y Control de ... AB.pdf · Cenizas 0.08 0.04 0.02 Hexano 10.33 4.7 2.2 Insoluble % (cSt @ 38 Grad 690 129 49 C ) ... Ntp= 12.424 (incluye](https://reader038.vdocumento.com/reader038/viewer/2022102919/5a7204e47f8b9a9d538d4b61/html5/thumbnails/36.jpg)
Balance de Masa en Procesos de Combustión
GASES DE COMBUSTIÓN
CENIZAS Y MATERIA INERTE (vidrio, metales, etc)
CÁMARA DE COMBUSTIÓN
(Reacciones Químicas de Transformación, Liberación de
Energía)
AIRE
COMBUSTIBLE
(79% N2, 21 % O2)
(Fuel Oil, Diesel, Materia Sólida)
CO2
N2
O2
NOx
SO2
HCl
VOC’s
Partículas e Inquemados
Masa Reactivos = Masa Productos
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Depende del poder calorífico y del exceso de aire. Si no hubiese perdidas térmicas de diseño y temperaturas adiabática.
En la práctica se pierde calor tanto por acumulación en las paredes, por perdidas hacia el exterior y por transferencia a la carga térmica .
TEMPERATURA DE LLAMA .
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∆E = m Cp (Tg-Ta)
∆E Cambio en flujo de Energíam flujo de masaCp calor especifico de gases(1.1 kJ/kg °C)Tg temp de llama Ta temp de aire
Asumiendo comportamiento de gas ideal
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EFECTOS DE PAREDES DEL HORNO (HOGAR)
PROPOSITO 1Confinar llamas y
gases, permitiendo las reacciones
PROPOSITO 2Retener parte del calor
de la combustión, retornándolo a la mezcla que ingresa por el quemador y permitiendo la estabilización térmica de la llama
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![Page 41: Seminario Combustión Industrial Aplicada y Control de ... AB.pdf · Cenizas 0.08 0.04 0.02 Hexano 10.33 4.7 2.2 Insoluble % (cSt @ 38 Grad 690 129 49 C ) ... Ntp= 12.424 (incluye](https://reader038.vdocumento.com/reader038/viewer/2022102919/5a7204e47f8b9a9d538d4b61/html5/thumbnails/41.jpg)
Ignición
Q gen
T
Q loss
T
Se produce cuando la mezcla combustible libera al inflamarse, suficiente cantidad de energía para vencer las pérdidas térmicas.Se aplica principio de la explosión térmica.
T
P3
P2
P1
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Límites de InflamabilidadLa mezcla aire/combustible es inflamable en un cierto rango de valores.A presión normal ( aprox atmosférica) existe un límite superior de inflamabilidad y un límite inferior en la relación masa de combustible a masa de mezcla. El inferior se llama límite de mezcla pobre y el superior límite de mezcla rica. Para que la mezcla se inflame (combustionarse) esta deberá encontrarse localmente ( punto a punto) dentro de los límites de inflamabilidad. Regiones en las que esto no se emplee no combustionarán
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Velocidad de llama
Si se iniciase ignición en un punto de una mezcla inflamable aire/ combustible, se formaría un frente de combustión que se propagaría con velocidad característica Vfl. Para condiciones ambientales de la mezcla fresca, esta velocidad es del orden de fracción de metro por segundo hasta unos pocos m/s.
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Velocidad de llama
Example of a pulverised coal flame
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.- Llamas de difusión.-
FUEL O2
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Llama de Pre-mezcla
Esta se da cuando el combustible y el comburente (aire ) se Inter.-mezclan antes de llegar al frente de llama. En este caso el frente de combustión ocupa un volumen mayor.Los quemadores de gas para cocinas se tipifican como de llama de premezcla. La llama se forma en el interior del mechero.
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Llama de Pre-mezcla
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Reacciones Intermedias.-
La combustión se da a través de un conjunto de reacciones. Los principios se agrupan en los siguientes pasos:IniciaciónPropagaciónRamificaciónTerminación
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Cinética de Reacciones.-
las reacciones de combustión toman un tiempo dado que depende de temperatura y presión. Para tipificarse se utiliza la constante de reacción, que mide la rapidez de reacción. Su valor depende de la temperatura a la que se desarrolla la reacción, así como de las concentraciones.
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Elementos de Reacciones de Combustión
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Equilibrio.
Dado un tiempo suficiente, la reacción tiende a un equilibrio entre la reacción directa y reversa.La constante de equilibrio depende de la temperatura (exponencial) y de la presión, así como las concentraciones. Ver más detalle en la bibliografía.
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Combustión Industrial de Combustibles líquidos.-
![Page 53: Seminario Combustión Industrial Aplicada y Control de ... AB.pdf · Cenizas 0.08 0.04 0.02 Hexano 10.33 4.7 2.2 Insoluble % (cSt @ 38 Grad 690 129 49 C ) ... Ntp= 12.424 (incluye](https://reader038.vdocumento.com/reader038/viewer/2022102919/5a7204e47f8b9a9d538d4b61/html5/thumbnails/53.jpg)
Combustión Industrial de Combustibles líquidos.-
La buena combustión requiere mezcla íntima combustible/comburente.Cuando el combustible es sólido y se pulveriza previamente, se puede generar una mezcla de comburente ( aire) y combustible suspendiendo las partículas.
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Combustión Industrial de Combustibles líquidos.-Pero si el combustible es líquido, debe
evaporarse previo a la combustión.
Un mecanismo es el térmico, induciendo evaporación por calentamiento del combustible, que luego se mezcla en fase gaseosa con aire.
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Combustión Industrial de Combustibles líquidos.-
En este proceso, se procede primero a inducir una atomización de fluido, generando una nube de finas gotillas que se mezclan con el aire, donde se evaporen y ocurra la combustión en la zona de llama.En la atomización, la corriente fluida es forzada a continuar hacia el elemento atomizador, que recibe continuo líquido y emite una película cónica
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Combustión Industrial de Combustibles líquidos.-
Las fuerzas viscosas fraccionan la lámina formando “cilindroides” de líquido que siguen fraccionándose bajo la acción de fuerzas viscosas y la corrosividad propia de las partículas fluidas. Finalmente se genera una fina nube de gotillas que se evaporan rápidamente conforme se acercan a la zona de combustión.
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Combustión Industrial de Combustibles líquidos.-
Figure 6: Example of a burner mixed natural gas flame
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Características de Atomizadores
buen funcionamiento depende una buena combustión.La buena atomización depende, entre otras cosas, de:CaudalViscosidad del fluidoTensión SuperficialPresión de OperaciónPresencia de partículas / substancias perturbadoras.
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Características de Atomizadores
Combustibles “pesados” como fuel oil N°6 deben calentarse para reducir su viscosidad. Además, para estos casos se utiliza un segundo fluido, aire ó vapor para apoyar el fraccionamiento.
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Características de Atomizadores
Figure 5: Example of a fuel oil flame
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Problemas con mala atomización.-
Mientras más pequeñas sean las gotillas, más rápido se vaporizan, gotas demasiado gruesas (diámetro superior a 75 micrones) pueden no alcanzar a vaporizarse antes de llegar a la llama.
Las gotas finas poseen más área por unidad de masa, y se evaporan mucho más rápido; pues evaporación es un fenómeno superficial.
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Problemas con mala atomización.-
Si la gota llega a la cercanía de la zona de llama sin evaporarse completamente, se forma una llama de difusión alrededor de la gota. Este actúa como una envolvente, desde cuyo interior fluye combustible y por el exterior el oxígeno ( aire ):
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Problemas con mala atomización.-
Se forman residuos “gomosos” que son en definitiva hidrocarburos incompletamente quemados, parte de VOC´s que salen por la chimenea ó se depositan en las paredes.
Cualquier elemento que afecte la atomización y evaporación subsecuentemente tendráefecto sobre la generación de contaminantes ( hidrocarburos mal quemados).
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Quemador.-Es la unidad que indica la combustión. Para el caso de combustibles líquidos debe proveer la inyección de combustible por medio de bomba ( de engranajes ), así como insuflamiento de aire. Provee también el espacio para atomización y mezcla previa, así como para la combustión .Algunas veces incluye un bloque cerámico refractario.La entrada de aire se da por el exterior de la boquilla de atomización, y se colocan álabesinductores de giro ( swire )
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Quemador.-
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Quemador.-La presencia del bloque de quemador asegura que la llama se desarrolla completamente antes de enfrentar la carga térmica, caso contrario pueden generarse “puntos fríos” de temperatura insuficiente para reacción completa.
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El atomizador es una unidad de tipo fluido-mecánico. Su función consiste en permitir que el combustible, que ingresa como una corriente fluida continua, se convierta en una “niebla” de pequeñas gotillas de diámetro variable.
El fraccionamiento se da por un efecto de interacción fluido-dinámica, por ejemplo por doble fluido (combustible y vapor o aire caliente), combinado con paso por pasajes “tortuosos” , impactación contra placas y cambios bruscos de dirección.
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09.- Las gotillas así formadas, que se emite como una fina “sábana”cónica de fluido y se fracciona subsecuentemente en gotillas más y más finas.
La distribución va desde décimas de micra (micro-metros) hasta unos pocos centenares de micras.
Las gotillas muy finas (orden de una micra o menos) se evaporan muy rápidamente, mientras que las gotillas de diámetro cercano a 100 micras o superior tienen dificultades para evaporarse.
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10.- La nube de gotillas se va acercando a la zona de llama y se evapora. Si las gotas son muy gruesas (mayor a 100 micras) pueden llegar a la zona de llama todavía como gotillas líquidas, atravesando la llama con combustión de llama de difusión, es decir que se forma una llama alrededor de la gota en la envolvente en que se junta el combustible evaporado y el oxígeno del exterior.
Esto aumenta rápidamente la temperatura en el interior de la gota, esta se piroliza y descompone térmicamente, generando un núcleo “gomoso” con restos de hidrocarburo mal quemados (NMHC). Estas gotas se perciben visualmente como incandescencias que atraviesan la llama.
Esto contribuye a la formación de contaminantes.
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Boquilla de alimentación mecánica 1
Configuración de la boquilla
Efecto atomizador
Viscosidad fuel SSU
Presión línea fuel psig
Caudal galón/H
Turn down ratio
Aire Atomización Scfaire/galón fuel
Llama/ cámara
Contenidos de sólidos
Orificio simple, movimiento ciclónico
Mezcla comprimida con chorro fluido ciclónico
Hasta 100
75 – 150
10 -100
2.5:1 a 3.5:1
N/P
Llama corta, baja velocidad , cámara grande
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Boquilla de alimentación mecánica 2
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Configuración de la boquilla
Efecto atomizador
Viscosidad fuel SSU
Presión línea fuel psig
Caudal galón/H
Turn down ratio
Aire Atomización Scfaire/galón fuel
Llama/ cámara
Contenidos de sólidos
Taza RotativaExtremo abierto, movimiento ciclónico
Introducción de aire de combustión con lamina ciclónico
Hasta 300
baja
5 -300
5:1
N/P
N/P
Hasta 20%
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Configuración de la boquilla
Efecto atomizador
Viscosidad fuel SSU
Presión línea fuel psig
Caudal galón/H
Turn down ratio
Aire Atomización Scfaire/galón fuel
Llama/ cámara
Contenidos de sólidos
Chorro
Choque externo de chorro fuel con chorro de aire
200 -1500
Menos 1.5 psig
400-1000 Scfa aire/ galón fuel
Llama corta, cámara pequeña
Hasta 30%
Quemador de atomización para aire externo de baja presión
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Quemador de doble fluido externo de alta presión
Configuración de la boquilla
Efecto atomizador
Viscosidad fuel SSU
Presión línea fuel psig
Caudal galón/H
Turn down ratio
Aire Atomización Scfaire/galón fuel
Llama/ cámara
Contenidos de sólidos
Chorro
Choque externo no fuel con aire
150 -5000
30- 150 psig
3:1 a 4:1
2-5 lb /galón-fue
Hasta 70%
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Configuración de la boquilla
Efecto atomizador
Viscosidad fuel SSU
Presión línea fuel psig
Caudal galón/H
Turn down ratio
Aire Atomización Scfaire/galón fuel
Llama/ cámara
Contenidos de sólidos
Spray cónico
Impacto de una mezcla de fuel con fluido de atomización antes de emerger
Hasta 100
3:1 a 4:1
bajo
Boquilla de mezcla interna
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Diagrama de Ostwald (1)
El diagrama de Ostwald es la graficación de las concentraciones volumétricas de los varios componentes de los gases de combustión: CO2, O2, CO. Se incluye además el exceso de aire.
En la práctica, los quemadores industriales operan entre el 5 y 35% de EA. La mayoría produce muy poco CO (menos de 0,2%). En tal caso puede asumirse la línea de combustión completa.
A partir de cálculos teóricos estequiométricos es posible construir el diagrama de Ostwald. Para un combustible de composición conocida, se requiere de una sola medición (usualmente % O2) para conocer el EA.
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Diagrama de Ostwald
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Diagrama de Sankey (1)
El diagrama de Sankey, muestra en forma global un balance energético a un sistema térmico de combustión, a manera de franjas que representan, según su anchura, la cantidad de energía correspondiente, según su dirección, al destino final de esa energía.
Se trata de establecer un balance térmico entre la energía química provista por el combustible y la energía utilizada por el sistema.
Energía Química del combustible
Energía Transferida a
la Carga Térmica
Pérdidas Térmicas
Calor Sensible de Gases
Energía Perdida por Ineficiencias
de Combustión
++ +
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Diagrama de Sankey (2)
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Productos de Combustión.-
Figure 2: View of fire-bed in a stoker fired boiler
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Productos de Combustión.-
Los principales productos de combustión de combustibles hidrocarburíferos son:CO2, H2O, N2, O2CO, SOx, NOxHollín, fly ash, HC mal quemados.Metales fundido /solidificado
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Productos de Combustión.-
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Formación de Partículas en Combustión
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Formación de Incrustaciones en Combustión de Fuel Oil Pesados
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Mediciones Importantes en Combustión
Las siguientes son las principales medicionesrecomendadas para un análisis de combustión de hidrocarburos:
Temperatura del combustibleConcentración de O2Concentración de CO2Temperatura de GasesNiveles de HumosAnálisis Visual de Llama
Mediante tales mediciones se puede establecer si se estámanteniendo una adecuada combustión, y por ende los ajustes necesarios al proceso para obtener mejoras en su eficiencia.
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Reducción de SOx.
Se logra reduciendo el contenido de azufre del combustible. El fuel oil pesado y el diesel local contienen entre 1 al 3 % , si bien las entidades gubernamentales vinculadas a producción de combustible indican que el máximo es 1.8 %. Una vez generado, es complicado extraer el SOx. Debe usarse lavado de gases o procesos catalíticos/ químicos.
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Formación de NOx
El NOx puede formarse tanto a partir del Nitrógeno del combustible como del Nitrógeno molecular del aire. La formación de N2O, NO2y NO3 tiende a aumentar con la temperatura.Por tanto, aquello que reduzca la temperatura reduce la formación de NOx. Véase referencias sobre los varios mecanismos.
Nota: Se requiere temperatura para completar la reacción, excepto en combustión “fresca” que se da usando catalizadores. Por otro lado, una mayor temperatura permite mayor tasa de transferencia de calor. Del modo que deberá buscarse un punto de equilibrio.
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Formación del CO.-
Normalmente no debiera darse CO en combustión industrial, en la que se usa 15- 25 % de exceso de aire. Monóxido de carbono se da en motores de combustión interna. Sin embargo, de descalibrase el caldero ó al operar a baja carga podría darse operación con déficit de aire que conduce a presencia de CO.
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![Page 98: Seminario Combustión Industrial Aplicada y Control de ... AB.pdf · Cenizas 0.08 0.04 0.02 Hexano 10.33 4.7 2.2 Insoluble % (cSt @ 38 Grad 690 129 49 C ) ... Ntp= 12.424 (incluye](https://reader038.vdocumento.com/reader038/viewer/2022102919/5a7204e47f8b9a9d538d4b61/html5/thumbnails/98.jpg)
![Page 99: Seminario Combustión Industrial Aplicada y Control de ... AB.pdf · Cenizas 0.08 0.04 0.02 Hexano 10.33 4.7 2.2 Insoluble % (cSt @ 38 Grad 690 129 49 C ) ... Ntp= 12.424 (incluye](https://reader038.vdocumento.com/reader038/viewer/2022102919/5a7204e47f8b9a9d538d4b61/html5/thumbnails/99.jpg)
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Chimeneas.-
Los gases de combustión deben ser ductadoshacia la atmósfera. Para ello se usa la chimenea. Su función es doble: inducir tiro y emitir los gases lo más lato posible ( con la esperanza que se dispersen los contaminantes antes que retorne la estela al suelo )
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Chimeneas.-
La chimenea es básicamente un ductovertical. En su diseño debe asegurarse que sobresale de las estructuras colindantes para que la estela de humos no sea arrastrada a suelo por las “ burbujas”de recirculación que se forma corriente debajo de cuerpos fluido-dinámicamente abruptos.
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Tiro.
Es la presión negativa que se genera por la temperatura de gases de combustión y presencia de la chimenea.Gases calientes son menos densos que aire ambiental y se genera, flotabilidad (boyantez). Esto genera efecto de aspiración, que tiende a extraer los gases de la cámara. La diferencia de presiones se denomina “tiro”.
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Chimeneas.-Mientras menor sea la distancia de la chimenea a las estructuras aledañas , mayor deberá ser la altura de la chimenea.Altura mínima de chimenea: 8 metros. Elevación mínima de chimenea sobre estructuras colindantes: 4 metrosSi la chimenea está dentro de la “burbuja” de recirculación, la elevación mínima será la de medio ancho de la estructura circundante.Por ejemplo, si el ancho de la estructura fuese 20 metros, la chimenea deberá elevarse 10 metros por encima.
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Clasificación de chimeneas y conductos para evacuar humos o gases de combustión
y fluidos calientes
Las chimeneas y conductos para evacuar humos o gases de combustión y fluidos calientes se clasifican como de baja, media y alta temperatura, midiéndose ésta en la entrada de los gases :
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Altura del remate de una chimenea o conducto para evacuar humos o gases de combustión,
fluidos calientes, tóxicos , corrosivos o molestos
Una chimenea o un conducto para evacuar humos, gases de combustión, fluidos calientes, tóxicos, corrosivos o molestos, tendrá su remate a las alturas más abajo especificadas.
Altura del remate respecto de azotea o techo:
El remate o boca se ubicará, respecto de una azotea o techo, a la altura mínima siguiente:
1. 2,00 m sobre una azotea transitable. 2. 0,60 m sobre una azotea no transitable o techo cuyas faldas tengan una inclinación hasta el 25%.
3. 0,60 m. sobre las faldas de un techo inclinado más del 25% y además, 0,20 m por encima de cualquier cumbrera que diste menos que 3,00 m del remate.
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Altura del remate de una chimenea o conducto para evacuar humos o gases de combustión, fluidos calientes, tóxicos , corrosivos o molestos
b) Altura del remate respecto del vano de un local: El remate de una chimenea estarásituado a un nivel igual o mayor que la medida Z, respecto del dintel de una vano de un local:
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Construcción metálica:
La obra metálica de una chimenea o conducto será unida por roblonado, soldadura u otro sistema igualmente eficaz.El espesor mínimo de la pared será: