Combustion

COMBUSTION

Como operadores de procesos en cualquier unidad de refinacion o de petroquimica tenemos entre nuestras responsabilidades las de verificar las condiciones operacionales de hornos y calderas, la verificacion de la combustion entonces sera una de nuestras rutinas mas apreciadas y solicitadas por los supervisores de sala de control asi como por los ingenieros de procesos es por eso que es necesario conocer en detalle lo relacionado con los conceptos de combustion y combustibles que se emplean en estos equipos.

Combustible

Los combustibles industriales son combinaciones variables de carbono e hidrógeno, con un contenido, también variable, de impurezas. El carbono e hidrógeno contenidos en cualquier combustible sólido, líquido o gaseoso, sea cual fuere la forma química en que se encuentren combinados, se disociarán a su forma elemental antes de reaccionar con el oxígeno disponible. A continuación podrán ver  las principales reacciones de combustión que se presentan en la práctica industrial, mostrando los reactantes en la forma que se encuentran en la naturaleza y las cantidades de calor liberadas al transformarse en los únicos productos finales de combustión, esto es, CO2 y H2O.

a) Proporción correcta aire - combustible

El diseño del quemador deberá asegurar el suministro de las cantidades adecuadas de aire y combustible en el sistema, estableciendo márgenes de regulación para ambos.

Para asegurar la combustión completa deberá proporcionarse un exceso de aire, procurando que sea lo mínimo que resulte posible.

El análisis de los gases de combustión permitirá conocer el exceso de aire y la eficiencia de la combustión.

En función del análisis de gases en forma manual o automatizada, se deberá efectuar ajustes en las variables de operación, controlando los resultados obte-nidos.

Manejando correctamente los puntos anteriores se logrará una combustión completa.

b) Mezcla adecuada aire combustible

El diseño del quemador deberá proporcionar las condiciones de mezcla aire-combustible más adecuadas para cada caso.

La mezcla debe ser uniforme y permanente para cada punto de regulación dentro de los márgenes de operación.

El objetivo principal de la mezcla será el lograr el máximo contacto superficial entre oxígeno y combustible.

El estado físico del combustible determinará las condiciones operativas que permitan preparar el combustible (pulverización, atomización, vaporización) en el caso de sólidos y líquidos, y efectuar la mezcla en forma conveniente para cada caso.

Manejando correctamente los puntos anteriores se logrará una combustión óptima.

c) Ignición inicial y sostenida de la mezcla

El encendido o ignición inicial de la mezcla requiere el aporte de calor de una fuente externa.

Resulta necesario aplicar mucho calor a un área localizada para acelerar la reacción.

La mezcla se encenderá sólo al alcanzar su temperatura mínima de ignición, variable para cada combustible.

Al producir las reacciones de combustión más calor del que se pierde a los alrededores, se mantendrá la combustión sin necesidad de la fuente externa.

Manejando correctamente los puntos anteriores se logrará una combustión auto-sostenida y estable para las condiciones del proceso.

El cumplimiento de estos 3 requerimientos permitirán :

Lograr el máximo aprovechamiento del poder calorífico del combustible utilizado.

Aportar el calor requerido por el sistema con el menor consumo de combustible y las condiciones operativas técnica y económicamente más adecuadas.

Esta condición de máxima eficiencia, sin embargo, siempre resultará inestable por depender de una serie de variables interdependientes entre sí e influenciables por factores externos, por lo cual el verdadero nivel de eficiencia del sistema dependerá de la existencia de un sistema de control adecuado y efectivo, orientado a mantener niveles permanentes de eficiencia del proceso.

Tipos de combustión

El objetivo fundamental de la combustión es el de conseguir la oxidación total del carbono y del hidrógeno para formar dióxido de carbono (CO2) y agua (H2O) con lo cual se produce la máxima energía en forma de calor y se evita efectos contaminantes.

La combustión podemos clasificarla desde el punto de vista de la calidad de sus productos y por la forma en que se realiza.

 

En función de sus productos

Se puede considerar los siguientes tipos de combustión:

a)    Combustión perfecta (estequiométrica)

b)    Combustión completa (con exceso de aire)

c)    Combustión incompleta (con defecto de aire)

d)    Combustión imperfecta (pseudo combustión)

 

a) Combustión Perfecta Estequiométrica Este tipo de combustión se consigue mezclando y quemando las cantidades exactamente requeridas de combustible y oxígeno, los cuales se queman en forma completa y perfecta. Esta combustión completa está sin embargo, fuertemente limitada por condiciones químicas y físicas, ya que sólo en teoría podemos hablar de reacciones perfectamente estequiométricas. Se plantean para realizar los cálculos teóricos de la combustión, etc. en función de la composición del combustible y el comburente empleados.

b) Combustión completa con exceso de aire

Para tener una combustión completa, es decir, sin presencia de monóxido de carbono en los humos de chimenea, es necesario emplear una proporción de oxígeno superior a la teórica.

Este exceso de aire conlleva especialmente 2 efectos importantes en cuanto al proceso de la combustión:

 

>Disminución de la temperatura máxima posible al aumentar la cantidad de gases en la combustión.

 

>Variación sensible en cuanto a la concentración de los óxidos formados respecto al nitrógeno, lo que se traduce en una disminución de la eficiencia de la combustión.

El exceso de aire se expresa en porcentaje restándole el teórico estequiométrico, el cual corresponde al 100%; es decir, una cantidad de aire de combustión del 120% respecto al estequiométrico, se expresará como 20% de exceso de aire. El índice de exceso de aire (n), también empleado en la práctica, será en este caso: n = 1.2.

c) Combustión incompleta con defecto de aire  Cuando el oxígeno presente en la combustión no alcanza el valor del teórico necesario para la formación de CO2, H2O y SO2 la combustión es nece-sariamente incompleta, apareciendo en los gases de combustión el monóxido de carbono, hidrógeno y partículas sólidas de carbono, azufre o sulfuros.

Considerando que estos componentes de los gases que se eliminan a la atmósfera contienen aún apreciable contenido calorífico, las pérdidas por combustión incompleta son elevadas cuando se proporciona menos aire del necesario. En la práctica, la presencia de inquemados resulta determinante del exceso de aire necesario. La presencia de CO en los humos crea además el riesgo de explosión, al llegar a atmósferas súbitamente oxidantes. Un 1% de CO en los gases produce una pérdida de aproximadamente un 4% del poder calorífico del combustible.

 

 d) Combustión imperfecta  Se produce una combustión imperfecta o seudocombustión oxidante cuando pese a existir exceso de aire, no se completan las reacciones de combustión, apareciendo en los humos de chimenea productos de combustión incompleta, tales como inquemados, residuos de combustibles sin oxidar, partículas sólidas, etc.

Este tipo de combustión puede producirse debido a las siguientes causas:

La elevada carga térmica del hogar, es decir, la relación entre la potencia calorífica y el volumen del hogar, ya que existe poco tiempo de permanencia.

 

La escasa turbulencia, existiendo por tanto una mala mezcla aire-combustible, lo que en muchos quemadores se produce por cantidad insuficiente de aire o por estar trabajando a una fracción muy pequeña de su potencia nominal.

La falta de uniformidad de pulverización en los combustibles líquidos, ya que cuanto mayor sea el número de gotas de gran tamaño, tanto más fácil es que se produzcan inquemados, puesto que una gota de gran diámetro necesita un tiempo mayor de permanencia para quemarse por completo.

El enfriamiento de la llama, lo que puede ocurrir cuando la mezcla aire-combustible incide sobre superficies relativamente frías, como el frente de la cámara de combustión o las paredes de un tubo de llama y también cuando se trabaja con un gran exceso de aire.

 

El alto porcentaje de carbono en los combustibles.

En la práctica, este es el tipo de combustión más generalizado por resultar más ajustado a la realidad. En la medida que se mejore la combustión imperfecta aproximándose a las condiciones teóricas de combustión completa con mínimo exceso de aire, se logrará mejores rendimientos y se evitará efectos contaminantes.

Analisis de la combustión

Como operadores de una unidad de refinería que disponga que un horno de procesos esta entre nuestras tareas rutinarias el verificar las características de la combustión presente dentro de la cámara del horno, a continuación encontraran los detalles de las variables relacionadas que deben ser monitoreadas y su descripción.

 

Observación de llama

La llama es la combustión misma y permite observar la forma en que se desarrollan las reacciones y el proceso de combustión, por lo que su observación directa constituye el primer paso de la evaluación de la combustión, permitiendo efectuar la corrección de deficiencias relativamente graves. En el diseño de los equipos de combustión debe considerarse obligatoriamente la instalación de visores que adecuadamente ubicados y dimensionados permitan observar en las llamas los siguientes detalles:

Forma: La llama, y por tanto la combustión, debe desarrollarse en espacio abierto y no debe tomar contacto absolutamente con ninguna parte interior del hogar o reactor.

Longitud: En la misma forma, la longitud de la llama es consecuencia de la velocidad de reacción (cinética) y debe completarse en ¾ de la extensión del hogar o zona de reacción, en el caso de calderos, y tener la menor longitud posible sin que su acortamiento la ensanche hasta tocar las paredes laterales. La formación de llama cónica hueca ha permitido cumplir este objetivo, transformando el diseño y capacidad de todos los equipos industriales.

Color: Existe una relación directa entre el color observado en la llama y su temperatura, la cual depende del combustible utilizado, el nivel de exceso de aire y la calidad del reactor de combustión. Las llamas de carbón y fuel oil permiten una mejor observación, debido a la presencia de partículas en estado incandescente, que representan la combustión misma.

La velocidad de la combustión de los gases, en razón de los pequeños tamaños de partículas de coque producto del craqueo en fase gaseosa (Angstrons), permiten apreciar el color azul que las caracteriza, debido a la velocidad con que se completa la reacción, permitiendo apreciar la luminiscencia de productos intermendios.

Quemado combustibles sólidos y líquidos en la que prevalecen los tonos amarillos característicos de las partículas de coque producto del craqueo en fase líquida y molienda fina de carbones, no se llega a preciar el color azul en la llama.

 

¿Qué es una reacción de combustión?

Una reacción de combustión es una clase importante de las reacciones químicas. La combustión se produce normalmente cuando un hidrocarburo reacciona con el oxígeno para producir dióxido de carbono y agua. En el sentido más general, la combustión implica una reacción entre cualquier material combustible y un oxidante para formar un producto oxidado. La combustión es una reacción exotérmica, por lo que libera calor, pero a veces la reacción transcurre tan lentamente que un cambio de temperatura no es perceptible. Buenas señales de que está tratando con una reacción de combustión incluyen la presencia de oxígeno como reactivo y dióxido de carbono, agua y calor como productos. Reacciones de combustión inorgánicos pueden no forman todos los productos, pero son reconocibles por la reacción del oxígeno.

Control ambiental de la combustion

Medición de NOx

El registro de Oxidos de Nitrógeno normalmente tiene por objeto el controlar el cumplimiento de las normas que limitan el nivel de emisiones de NOx a la atmósfera, pero estas regulaciones son poco consistentes porque obedecen principalmente a lobbies de fabricantes de equipos, no constituyendo un grave peligro que afecte masivamente al medio ambiente. Resulta relativamente fácil controlarlo, debido a bajo potencial de oxidación del nitrógeno, en comparación con el Carbono y otros elementos. Resulta mucho más importante la medición del NOx desde el punto de vista que constituye un efectivo indicador de las temperaturas de llamas de procesos térmicamente intensivos, tales como los que se registran en Hornos de Vidrio, Cemento y Fundición de Minerales.

Medición de SOx

Siendo el azufre el principal contaminante del combustible y principal razón de la lluvia ácida, resulta justificado registrar y controlar el nivel de emisiones de óxidos de azufre que al combinarse con agua forma ácido sulfúrico en la atmósfera, principalmente en presencia de Vanadio en el combustible. Conociendo los contenidos de azufre en las materias primas y los combustibles empleados, la medición de los óxidos de azufre resulta indispensable para mantener un control adecuado sobre balances de sulfatos en hornos de procesos, para evitar su acumulación en el sistema.

Referencias:

fotografias

conceptos

combustion industrial