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.
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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:
