manual practico de combustion industrial

MANUAL PRCTICO DE COMBUSTIN INDUSTRIAL

Ing. Percy Castillo Neira

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MANUAL PRCTICO de COMBUSTIN INDUSTRIAL

PRESENTACION

Existe un antagonismo radical entre lo tcnico y lo cientfico; mientras lo cientfico

adquiere ms valor en funcin de su mayor profundidad y complejidad, lo tcnico

resulta ms valioso en la medida que se simplifica para facilitar su aplicacin. La mezcla

de lo cientfico y lo tcnico en el campo de la combustin industrial ha complicado su

manejo y establecido graves limitaciones a su conocimiento y control, debido a que el

campo acadmico, la interfase que tendra que constituir la transicin entre ambos, no ha

funcionado correctamente. Como consecuencia, en trminos cientficos y acadmicos, la

combustin puede resultar algo extremadamente amplio, complejo y difcil de

comprender, conocer y controlar, limitando y complicando su adecuada aplicacin en la

prctica industrial.

La publicacin del Manual Prctico de la Combustin Industrial en 1990 plante una

concepcin diferente de la tecnologa y constituy el punto de partida de una intensa

actividad profesional y empresarial del autor y sus colaboradores. Los veinte aos

transcurridos en este campo, adquiriendo conocimientos, investigando nuevas

tecnologas y viviendo valiosas experiencias al dictar numerosos cursos y charlas

tcnicas, publicar varios libros, editar 3 revistas especializadas y ejecutar cientos de

proyectos de optimizacin de la combustin en plantas industriales de la mayora de

pases latinoamericanos, nos han dado la razn y demostrado que tal concepcin,

priorizando la simplificacin tcnica sobre la complicacin cientfica, no solamente

resulta la ms conveniente desde el punto de vista de su formulacin terica, sino la

correcta y adecuada en el pragmatismo del campo industrial, donde cuentan los

resultados antes que las explicaciones.

En esta segunda edicin del Manual Prctico de la Combustin Industrial, con mayores argumentos, recursos y medios, profundizamos tal concepcin y ponemos a

disposicin de los sectores productivos, profesionales y tcnicos de habla hispana la

oportunidad de conocer, entender y dominar el proceso fisicoquco ms importante

del planeta.

La primera edicin del Manual Prctico de Combustin

Industrial fue una buena interpretacin de la tecnologa del

Siglo XX, desarrollada por los fabricantes de maquinaria y

equipo de acuerdo a sus propios intereses. La segunda edicin

constituye nuestra propia tecnologa, desarrollada en forma

conjunta con miles de ingenieros de plantas industriales

latinoamericanas, en base a fundamentos y criterios tcnicos

comprobados con resultados, por lo que constituye la nueva

concepcin de la tecnologa de la combustin del Siglo XXI



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Mi experiencia personal con la

Combustin

Al egresar del Magister de Ingeniera Qumica estuve comprometido para trabajar en la

industria cervecera, pero al conocer la impresionante llama del quemador principal del

horno, tom la decisin de trabajar en el mundo cementero, donde se manejan todas las

operaciones unitarias y ms de la mitad de costos de produccin son energticos.

Despus de 5 valiosos aos de invalorable experiencia como ingeniero de turno, mi primera

decisin como Jefe de Produccin fue negarme a firmar el parte de produccin mensual,

por considerar que no correspondan los volmenes de petrleo con los consumidos; el

buscar, encontrar y recuperar los volmenes faltantes consolid mi campo de

especializacin, todava vinculado al campo cementero. La falta de oportunidades de

desarrollo profesional en mi pas y la falta de informacin tcnica, muy rpidamente me

motiv a conseguir la oportunidad de viajar a especializarme en fabricacin de cemento en

Europa; al ser becado por el Ministerio de Educacin y Ciencia de Espaa, con el apoyo de

IDAE pude ingresar al campo de la Conservacin Energtica, disponiendo de la

posibilidad de formarme como investigador del CSIC en el campo de la Combustin y el

Ahorro de Energa en Procesos Industriales, decidiendo priorizar mis actividades en el

campo tcnico, complementndolas con investigacin cientfica y desarrollo acadmico.

La ecuacin de mi experiencia de planta previa, formacin como investigador y

especializacin tcnica en el campo de la combustin, al comenzar a trabajar como experto

en auditoras y proyectos de optimizacin energtica, result fundamental para apreciar

que la tecnologa aplicada no corresponda a conceptos tcnica y ticamente correctos, sino

a los intereses comerciales de fabricantes y proveedores, descubriendo la existencia de un

mundo de posibilidades de optimizacin de procesos, al comprobar a travs de los aos y

cientos de proyectos ejecutados en Iberoamrica, que la Combustin en general y

especialmente en el campo industrial, resulta maravillosamente simple, clara y precisa.

Al descubrir que todos los combustibles se disocian siempre en sus componentes,

Hidrgeno y Carbono, antes de quemarse, producindose la combustin siempre en la

misma forma bsica y heterognea, formul la Teora Inorgnica de la Combustin,

poniendo al alcance de todos los ingenieros y tcnicos, la posibilidad de convertirse en

expertos en combustin, accediendo al inmenso potencial de optimizacin existente.

Personalmente me ha costado 30 aos de permanente estudio y trabajo el convertirme en

experto en combustin, pero ha valido la pena porque estoy seguro de que todos los

ingenieros de plantas industriales pueden conseguirlo en corto tiempo y algn da, cuando

mi nueva concepcin de la tecnologa se incorpore como curso de pregrado, los ingenieros

latinoamericanos puedan egresar de la universidad al mundo actual dependiente de los

hidrocarburos, siendo expertos en combustin.




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INDICE

CAPTULO I TEORA INORGNICA DE LA COMBUSTIN

1.1. Materia y Energa

1.2. Combustin orgnica y combustin inorgnica

1.3. Combustibles industriales y su relacin Carbono/Hidrgeno

1.4. Calor de disociacin y poder calorfico de los combustibles.

1.5. La partcula de carbn como ncleo bsico de la combustin industrial

CAPTULO II LA COMBUSTIN COMO REACCIN QUMICA

2.1. Mecanismo general de las reacciones de combustin

2.2. Esquema bsico de la combustin industrial

2.3. Tipos de combustin

2.4. La combustin heterognea

2.5. El reactor de combustin

CAPTULO III LA COMBUSTIN COMO PROCESO FISICOQUMICO

3.1 La llama como manifestacin visible de la combustin

3.2 Definicin de las caractersticas de las partculas de carbn en la llama

3.3 Gasodinmica de la combustin y control sobre la formacin de llama

3.4 Emisividad de llama y transferencia de calor por radiacin

3.5 Gases de combustin y transferencia de calor por conveccin



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CAPTULO IV EL AIRE DE COMBUSTIN

4.1 Aire, combustibles y combustin

4.2 El aire como comburente universal

4.3 Mecnica de fluidos aplicada a la combustin industrial

4.4 Combustin en altura y enriquecimiento del aire

4.5 Precalentamiento del aire de combustin

CAPTULO V COMBUSTIBLES INDUSTRIALES

5.1 Criterios para evaluacin y clasificacin de combustibles industriales

5.2 Caracterizacin del gas natural y gases combustibles

5,3 Caracterizacin de petrleos residuales y combustibles lquidos

5.4 Caracterizacin de carbones minerales y combustibles slidos.

5.5 Criterios para seleccin y empleo de combustibles industriales.

CAPTULO VI COMBUSTIN INDUSTRIAL DE GAS NATURAL

6.1 Control y regulacin del suministro de gas natural

6.2 Quemadores para gas natural

6.3 Encendido y estabilidad del frente de llama

6.4 Caractersticas de las llamas de gas natural

6.5 Factores que influencian la eficiencia de empleo del gas natural



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CAPTULO VII COMBUSTIN DE PETRLEOS RESIDUALES

7.1 Operaciones de pre-combustin

7.2 Quemadores para petrleos residuales

7.3 Encendido y Estabilidad del frente de llama

7.4 Caractersticas de las llamas de petrleos residuales

7.5 Factores que influencian la eficiencia de empleo de petrleos residuales

CAPTULO VIII COMBUSTIN INDUSTRIAL DE GLP

10.1 Operaciones de Precombustin

10.2 Combustin industrial del GLP

10.3 Quemadores para GLP

10.4 Produccin de Gas Natural Alternativo

10.5 Factores que influencian el uso del GLP

CAPTULO IX EVALUACIN DE LA COMBUSTIN INDUSTRIAL

10.1 Mediciones en planta vinculadas a la combustin

10.2 Criterios prcticos para juzgar la eficiencia de combustin

10.3 Anlisis de gases de combustin

10.4 Balances Trmicos y Diagramas de Sankey

10.5 Sistemas de Control y Automatizacin de la Combustin



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Captulo X OPTIMIZACIN DE LA COMBUSTIN EN CALDEROS

INDUSTRIALES

12.1 Clasificacin de Calderos Industriales

12.2 Optimizacin de la Combustin en Calderos Pirotubulares

12.3 Optimizacin de la Combustin en Calderos Acuotubulares

12.4 Optimizacin de la Combustin en Calderos de Aceite Trmico

12.5 Calderos de Recuperacin de Calor

CAPITULO XI OPTIMIZACIN DE LA COMBUSTIN EN SECADORES

INDUSTRIALES

13.1 Principios del Secado

13.2 Tipos de Secadores

13.3 Generadores de Aire Caliente

13.4 Secado directo

13.5 Secado Indirecto

CAPITULO XII OPTIMIZACIN DE LA COMBUSTIN EN HORNOS DE

CALENTAMIENTO Y FUSIN

12.1 Modernizacin de Hornos en Refineras de Petrleo

12.2 Combustin en Hornos de Arco Elctrico

2.3 Combustin con Oxgeno en los Hornos de Fundicin

12.4 Combustin en Hornos de Calentamiento de Metales para Laminacin

12.5 Combustin en Hornos de Crisol



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CAPITULO XIII OPTIMIZACIN DE LA COMBUSTIN EN HORNOS DE

PROCESO

13.1 Hornos de Cal

13.2 Hornos de Clnker para Cemento

13.3 Hornos de Hierro Esponja

13.4 Hornos de Refinacin de Metales

13.5 Hornos de Tratamiento Trmico

CAPTULO XIV RESULTADOS DE INVESTIGACIN APLICADA EN

PROCESOS DE COMBUSTIN INDUSTRIAL

14.1 Nueva Tecnologa del Gas Natural

14.2 Siderurgia : Concentrados para Reduccin Directa Inmediata

14.3 Calcinacin Instantnea en Reactores Tipo Flash

14.4 Combustin Esttica para Calentamiento de Slidos

14.5 Llama Cnica Hueca para Combustibles Alternos

CAPTULO XV COMBUSTIN DEL SIGLO XXI

15.1 Biocombustibles

15.2 Gas de Esquisto

15.3 Combustin y Ecologa

15.4 Almacenamiento de Energa

15.5 La energa del Hidrgeno



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Captulo I

TEORA INORGNICA DE LA COMBUSTIN

1.1 Un descubrimiento extraordinario

Para quienes trabajamos en proyectos de optimizacin energtica de procesos industriales,

el primer principio termodinmico que establece que la materia y energa no se crean ni se

destruyen, nos proporciona como herramienta fundamental la elaboracin de balances de

materia y energa.

Al comprobar que exista una diferencia de 21.500 Kcal/Kmol entre el poder calorfico del

metano calculado estequiomtricamente y el determinado en bomba calorimtrica,

conscientes de que la materia y energa no se crean ni se destruyen, nos propusimos

encontrarlas (Figura 1.1).

Al encontrar en el Manual del Ingeniero Qumico de Perry que la energa de disociacin

del metano es de 21.500 Kcal/Kmol y hallar la misma coincidencia en cualquier otro

hidrocarburo, descubrimos el hecho extraordinario de que todos los combustibles, mezclas

carbono/hidrgeno con contenidos variables de impurezas, se disocian en sus

componentes antes de quemarse, lo que significa que la combustin siempre se producir

en forma elemental y bsica, a travs de las reacciones :

C + O2 = CO2 y 2H2 + O2 = 2H2O



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Todos los combustibles industriales, sin excepcin, siempre se quemarn en la misma

forma, no interesando para fines prcticos las mltiples posibilidades de reacciones

intermedias, lo cual simplifica totalmente la concepcin, anlisis, evaluacin y control de

la combustin.

La Qumica Orgnica se ocupa del estudio de los componentes que forma el carbono,

aprovechando la extraordinaria capacidad de combinacin que le permite su tetravalencia;

al demostrar que los combustibles se disocian en sus componentes antes de quemarse, la

combustin se producir por oxidacin del Hidrgeno y el Carbono, en el campo

inorgnico, resultando el nombre ms adecuado para esta formidable simplificacin

tecnolgica: Teora Inorgnica de la Combustin pudiendo ser enunciada en la siguiente

forma:.

Todos los combustibles industriales son

combinaciones carbono/hidrgeno y se disocian en sus

componentes antes de quemarse, producindose la

combustin siempre en forma bsica y elemental: C + O2

= CO2

y 2H2 + O

2 = 2H

2O

Figura 1.1



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1.2 La partcula de carbn elemental como ncleo bsico de la combustin

industrial

Siendo los combustibles industriales combinaciones carbono/hidrgeno, con

contenidos variables de impurezas, y habiendo establecido que sus componentes

siempre se disocian y reaccionan en forma elemental, siempre existir una proporcin

de carbn que reaccione como slido. La excepcin podra ser el propio Hidrgeno,

pero no constituye un combustible industrial.

Para sustentar esta hiptesis resultan determinantes los altos valores de los puntos de

fusin y sublimacin del carbono: 3600 y 4200 C respectivamente, temperaturas que

no se alcanzan en procesos industriales, por lo cual siempre se producir la combustin

de las partculas de carbn en forma heterognea.

La reaccin slido-gas, tpica de la combustin de la partcula de carbn, se efecta

por difusin de calor del medio hacia el interior de la partcula y difusin molecular del

CO producido (desorcin) para abandonar la partcula hacia el medio de reaccin,

donde completa su reaccin con el oxgeno disponible, en una reaccin homognea gas-

gas.

Figura 1.2

LA PARTCULA

DE CARBONO,

VERDADERO

NUCLEO DE LA

COMBUSTIN

La condicin trmica inicial de la partcula depende del combustible original,

influenciando su calentamiento hasta este punto, la desvolatilizacin de la partcula

slida cuando se trata de carbn mineral, el craqueo y gasificacin de gotas en el caso

de combustibles lquidos, y el craqueo de gases combustibles.

El hidrgeno reacciona en forma homognea (gas-gas) en una combustin instantnea,

aportando calor y vapor de agua. El carbn reacciona por difusin trmica y molecular en

un proceso de combustin heterognea.

COMBUSTIN INORGNICA :COMBUSTIN INORGNICA :

REACCIN HETEROGNEAREACCIN HETEROGNEA



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En la prctica, la combustin del carbn resulta mucho ms importante que la del

hidrgeno por 2 razones fundamentales:

La proporcin del carbn respecto al hidrgeno en los combustibles es siempre

sensiblemente mayor.

El combustible ms liviano es el metano (CH4) con una relacin Carbono/Hidrgeno

igual a 3 lo que significa que tiene un 75% en peso de carbono. La proporcin en peso

del carbono en todos los combustibles industriales vara entre 75 y 100%.

La combustin del hidrgeno es prcticamente instantnea en cualquier condicin,

mientras que el tiempo de reaccin de la partcula de carbn puede ser de varios

segundos, efectundose en 2 etapas: combustin heterognea slido gas desprendiendo

CO y la de ste con el O2 para completar el CO2. La velocidad de propagacin de la

llama de hidrgeno es 50 veces mayor que la del CO, siendo ambas medidas en

milsimas de segundo, mientras que la combustin de una partcula de carbn de

tamao promedio (30 micras), puede tomar varios segundos.

Siendo que todos los combustibles se disocian en hidrgeno como gas y partculas de

carbn de diferentes caractersticas y tamao, la cintica de la reaccin de combustin

resultar determinada por estas ltimas y solamente influencieada por la velocidad de

reaccin del hidrgeno del hidrgeno; consecuentemente, el control sobre la llama resulta

casi exclusivamente dependiente de la combustin de la partcula de carbono (carbn).

El tamao de la partcula de carbn resulta un factor fundamental en este sentido :

En el caso del gas natural, las partculas de carbn sern microscpicas(500 A), su

combustin muy rpida y la llama muy corta, poco luminosa y de baja emisividad; en el

caso del Combustleo, Petrleo residual o Fuel Oil, las partculas de carbn producto

del craqueo en fase lquida sern de tamao considerable (10-100 micras), demorando

ms su combustin, con llamas muy luminosas y emisivas; el tamao de partculas de

carbn mineral se maneja y controla durante la molienda, en funcin de su contenido de

voltiles (10-100 micras), influenciando as la velocidad de combustin con llamas

siempre luminosas y emisivas (Figura 1.3).

Todos los dems combustibles industriales entrarn en uno de los campos de estos 3

combustibles primarios, desarrollndose la combustin de la partcula elemental del

carbn siempre en forma heterognea.



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Figura 1.3

El tamao de la

partcula de

carbono se

determina en las

operaciones de

precombustin

1.3 El aire siempre resulta ms importante que el combustible en la

combustin

El control de la combustin y

formacin de llama es un

problema de mecnica de

fluidos en el cual el aire

constituye el flujo dominante.

La tecnologa de la combustin se define y maneja en 3 campos fundamentales de la

Ingeniera. Cintica Qumica, Mecnica de Fluidos y Transferencia de Calor.

La cintica qumica determina la forma en que se desarrolla la combustin como

reaccin qumica y la transferencia de calor establece las condiciones de

aprovechamiento del calor generado, pero la forma y caractersticas de la llama, el

manejo y control sobre la combustin constituye fundamentalmente un problema de

mecnica de fluidos.

Al definir que todos los combustibles terminan quemando como partculas de carbono,

verdadero ncleo de la combustin, podemos establecer que las mismas se ponen a

disposicin del aire como flujo dominante. El aire aporta la energa cintica para crear

Molienda

de Carbn

Ventilador

Combustin

de VoltilesCoque

(30 - 40

AtomizacinCoque

(30 - 40Almacenamiento

de Combustleo

Bomba Calentador

Holln

(



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las condiciones de turbulencia y mezcla requeridas, mantener las partculas

quemndose en suspensin al interior de la llama y desplazar los gases de combustin

para mantener la disposicin de oxgeno y mantener estables las condiciones del

proceso.

El diseo del quemador debe establecer estas condiciones, dependiendo la capacidad de

generacin de calor de la capacidad del ventilador para aportar el aire de combustin y

la energa cintica requerida para desarrollar la combustin en la forma prevista para

cada caso. Siendo tambin el gas combustible un fluido, tambin podra funcionar

como flujo dominante, pero al requerir la combustin como reaccin qumica alrededor

de diez veces ms volmenes de aire que gas, tendra que manejarse a muy alta

velocidad el gas para aportar el impulso requerido; este es el caso de los quemadores

supersnicos de gas natural.

La condicin de fuente inagotable de oxgeno y su permanente disponibilidad en

cualquier condicin de tiempo y espacio, han determinado que se cometa el grave error

de minimizar la importancia del aire en el desarrollo de la tecnologa de la combustin.

La mayor incidencia econmica del combustible en el costo del aporte energtico que

produce la combustin resulta un factor decisivo en este sentido. Al desarrollarse el

campo de la conservacin de energa como respuesta a la crisis energtica y la

elevacin de los precios del petrleo, se dedic mayor atencin a todos los aspectos

vinculados a los combustibles, considerndolos componentes fundamentales de la

combustin.

La teora inorgnica de la combustin no solamente reivindica el aire como

comburente. Al considerar que el tomo de carbono es el ncleo de la combustin y que

su reaccin es siempre heterognea, establece como factor dinmico el componente

fluido y como elemento esttico la partcula slida de carbn. As, se puede afirmar que

cuando se quema combustibles slidos y lquidos, la combustin se controla mediante

la regulacin del flujo de aire. En el caso del gas natural y otros combustibles gaseosos,

ambos fluidos pueden compartir tal preponderancia en lo referente a la formacin de

llama, pero en el desarrollo de la combustin, el aire siempre resultar preponderante.

1.4 APLICACIONES DE LA TEORA INORGNICA DE LA COMBUSTIN.



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1.4.1 En el campo cientfico

La dependencia mundial de los combustibles fsiles y la declinacin de sus reservas

mundiales plantea un enorme reto a la comunidad cientfica. Al restringir el universo

de la combustin al campo inorgnico y demostrar que siempre se realiza en forma

elemental y heterognea, la Teora Inorgnica de la Combustin facilita esta tarea y

define con claridad la necesidad de algunos campos especficos de investigacin pura y

aplicada. Podemos mencionar algunos temas de verdadero inters y presumible

importancia:

Anlisis de los factores que influencian la disociacin trmica de compuestos

orgnicos.

Formulacin de aditivos para mejorar el comportamiento antidetonante

(Indice de Octano) o la velocidad de ignicin (Indice de Cetano) de

combustibles, estabilizando la estructura molecular de los compuestos

formados.

Investigacin del efecto de procedimientos fsicos (campos elctricos,

paramagnticos, microondas,etc.) sobre el comportamiento antidetonante

(Indice de Octano) o la velocidad de ignicin (Indice de Cetano) de

combustibles, estabilizando la estructura molecular de los compuestos

formados.

Anlisis de los factores que influencian la reactividad del coque que producen

todos los combustible al disociarse antes de la combustin.

Evaluacin de la capacidad de Transesterizacin de aceites vegetales y grasas

animales para produccin de BioDiesel.



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1.4.2 En el campo acadmico

El desarrollo de la tecnologa de la combustin en el siglo XX ha resultado totalmente

distorsionada por investigacin cientfica y tecnolgica alejada de la realidad y

sometida a intereses comerciales, produciendo un monstruo gigantesco y complejo

inaplicable en la enseanza escolar y casi inexistente en la formacin universitaria.

La combustin es el proceso fisicoqumico ms importante del planeta y tiene que ver

con todas las formas de actividad humana, por lo cual debe incluirse en todas las etapas

de formacin acadmica

Desde la educacin inicial y con una presentacin adecuada, los conceptos de la Teora

Inorgnica de la Combustin permitiran introducir a los alumnos al conocimiento de

las leyes de la naturaleza y los principios que determinan el principio y el

mantenimiento del medio ambiente y de la vida.

La Teora Inorgnica de la Combustin debe ensearse en el nivel secundario,

constituyendo un conocimiento bsico general indispensable.

En la formacin profesional, debe formar parte de un Curso General de Combustin

obligatorio y Cursos Electivos sobre su aplicacin en sectores especializados. La

importancia de este campo justifica la creacin de la Ingeniera de la Combustin como

una profesin individual.

1.4.3 En la Actividad Industrial

La simplificacin de la Tecnologia de la Combustin pone al alcance de todos los

ingenieros y tcnicos de plantas industriales la posibilidad de conocer, entender y

dominar los procesos de combustin que manejan, permitindoles optimizar los

procesos y operaciones unitarias vinculados con la utilizacin de esta fuente

energtica.



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En este campo, la Teora Inorgnica de la Combustin ya no es una novedad;

durante los ltimos diez aos, hemos dictado decenas de cursos y dirigido cientos

de proyectos de optimizacin de procesos de combustin en la mayora de los

pases latinoamericanos, en los cuales ya se ha difundido y aplicado.

En cada una de estas oportunidades hemos recibido valiosos aportes y confirmado

la plena validez de sus postulados, consiguiendo importantes resultados.

Trabajando en forma conjunta con el personal de plantas industriales hemos

simplificado y mejorado el diseo de quemadores, implementado innovaciones

tecnolgicas en procesos, eliminado operaciones innecesarias, etc. consiguiendo

siempre producciones ms limpias, eficientes y econmicas, atacando la raz del

problema en lugar de administras sus consecuencias (Figura 1.5).

Figura 1.5

Modificacin del diseo

del quemador en el

Horno de INC-

Paraguay.

Existe un mundo de posibilidades de optimizacin de la combustin en plantas

industriales, manejando adecuadamente el factor ms importante: sus propios

recursos humanos.

1.4.4 En el campo tecnolgico

La Teora Inorgnica de la Combustin abre inmensas posibilidades de innovacin

tecnolgica en el diseo de quemadores, reactores, operaciones y procesos unitarios,

representando grandes posibilidades de optimizacin de costos de inversin, operacin

y mantenimiento.



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Su aplicacin en todos los sectores productivos representa una oportunidad de

investigacin aplicada para conseguir mejores condiciones de competitividad,

sustituyendo tecnologa innecesariamente complicada por el manejo prctico y efectivo

que permite la concepcin simple, clara y precisa de la combustin inorgnica.

Al demostrar que todos los combustibles se queman en la misma forma, permite

considerar nuevas posibilidades de utilizacin de nuevos combustibles. Desarollando

tecnologas apropiadas para cada caso especfico.

1.4.5 En el campo Ecolgico

La ineficiencia de combustin y consecuente presencia de inquemados en medios

urbanos y plantas industriales representa el factor contaminante ms grave en los pases

que no exigen el estricto cumplimiento de las normas de control ambiental.

La Teora Inorgnica de la Combustin demuestra que la combustin siempre puede y

debe completarse, por lo cual la emisin de inquemados resulta inaceptable.

El demostrar que todos los combustibles son lo mismo para efectos de carcter

energtico, nos permitir priorizar la utilizacin de los que resulten menos

contaminantes y plantear nuevas alternativas de sustitucin de combustibles fsiles que

preserven el equilibrio ecolgico.

1.5 PROYECCIN DE LA TEORA INORGNICA DE LA COMBUSTIN



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El problema energtico mundial consiste bsicamente en el almacenamiento de

energa y las reservas de hidrocarburos son almacenes de energa qumica

irremplazables en las condiciones que han sido procesadas por la naturaleza, pero

reproducibles en condiciones ms controladas y utilizando insumos renovables.

Al demostrar la Teora Inorgnica de la Combustin que todos los combustibles

son bsicamente lo mismo y que todos se queman en la misma forma, facilita esta

tarea, permitiendo plantear como alternativa energtica inmediata la misma

energa qumica generada a partir de la energa del sol.

La fotosntesis resulta el procedimiento que permite hacer realidad este proyecto y

ya se plantea como una alternativa viable la generacin de cultivos que permitan

disponer de compuestos orgnicos que puedan convertirse en combustibles

similares a los actuales.

La produccin de Etanol y Biodiesel para sustituir respectivamente a las gasolinas

y al Diesel ya son una realidad, pero constituyen solamente el inicio de un campo

de investigacin que marcar los aos venideros y podra cambiar la historia

mundial.

Cualquier alternativa de suministro energtico que no utilice este maravilloso

proceso natural estar condenado al fracaso por el costo que representa sustituirlo.

La Teora Inorgnica de la Combustin, al sealar que la disociacin molecular

determina el comportamiento de los combustibles en cuanto a sus caractersticas

de ignicin, establece las pautas a seguir para conseguir las materias primas y los

procesos ms adecuados para convertirlas en combustibles apropiados para cada

tipo de empleo.

La energa del Hidrgeno, considerada la alternativa del futuro, nos permite

demostrar la utilidad de los conceptos de la Teora Inorgnica, al comparar las

energas de disociacin del agua y del metano, para explicar porque el desarrollo

actual de las clulas de hidrgeno considera su obtencin a partir del gas natural

agotable y caro, comparado con lo que representara el agua como insumo para

esta tecnologa.



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CAPITULO II LA COMBUSTIN COMO

REACCIN QUMICA

2.1 Mecanismo general de las reacciones de combustin Para efectos del presente libro, hemos definido que los combustibles industriales son combinaciones variables de carbono e hidrgeno, con un contenido, tambin variable, de impurezas. El carbono e hidrgeno contenidos en cualquier combustible slido, lquido o gaseoso, sea cual fuere la forma qumica en que se encuentren combinados, se disociarn a su forma elemental antes de reaccionar con el oxgeno disponible.

En el Cuadro 2.1 se muestran las principales reacciones de combustin que se presentan en la prctica industrial, mostrando los reactantes en la forma que se encuentran en la naturaleza y las cantidades de calor liberadas al transformarse en los nicos productos finales de combustin, esto es, CO2 y H2O. Cuadro 2.1 Principales Reacciones de Combustin

CARBONO C + O2 -------- CO2 + 97600 Kcal por Kmol

CARBONO C + O2 ------ CO + 29400 Kcal

MONOXIDO DE CARBONO CO + O2 ---- CO2 + 68200 Kcal

HIDROGENO H2 + O2 ---- H2O + 58200 Kcal (vapor)

+ 69100 Kcal (liquido)

AZUFRE S+ O2 --------- SO2 +138600 Kcal

METANO CH4 + 2O2 ---- CO2 + H2O + 192500 Kcal (vapor)

+ 214300 Kcal (lquido)

ETANO C2H6+7/2 O2 ----------- 2CO2 + 3H20 + 342000 Kcal (vapor)

+ 373600 Kcal

(lquido)

PROPANO C3 H8 + 5O2 ------------ 3C02 + 4H20 + 485100 Kcal (vapor)

+ 528700 Kcal (lquido)

BUTANO C4H10 + 13/2 O2 -------- 4CO2 + 5H2O + 625700 Kcal



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En realidad, las reacciones de combustin del carbono y del hidrgeno con el oxgeno, son siempre elementales y nicas :

C + O2 CO2

H2 + O2 H20 Sea cual fuere el compuesto qumico que se encuentre en el combustible, se disociar en C y H reaccionando en la forma elemental. Esta concepcin simple y bsica, pero a la vez prctica y efectiva de las reacciones de combustin, permite efectuar con rapidez y precisin los clculos estequiomtricos que facilitarn su adecuado manejo y control.

Sea un combustible que tenga una composicin por kg. de C Kg. de carbono y H2 kg de hidrgeno. Para la combustin de 12 kg. de carbono se necesitan 22,4 m

3 de oxgeno; para

C kg. de carbono se necesitarn :

22,4 x (C/12) = 1,87 x C m3 de O2

Para la combustin de 2 kg. de hidrgeno, se necesitan 11,2m

3 de oxgeno, luego

para H2 kg. de hidrgeno se necesitarn :

11,2 x (H2/2) = 5,6 x H2 m3 de O2

Por consiguiente, para la combustin de 1 kg. de combustible, el oxgeno mnimo necesario estequiomtrico, sera la suma del necesario para la combustin del carbono y el hidrgeno, es decir:

O2m = 1,87C + 5,6 H2 m3 de oxgeno

Como la composicin en volumen del aire es aproximadamente del 21% de oxgeno y 79% de nitrgeno, se tiene que el aire mnimo necesario ser :

Am = 100 O2m = 4,76 O2m

21 Por lo tanto el aire estequiomtrico necesario por kg. de combustible ser :

Am = 8,90 C + 26,67 H2 (m3 de aire)

Este volumen de aire est referido a condiciones normales (O C y 760 mm Hg. de presin)



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Sea por ejemplo un combustible que tenga 88% de carbono y 12% de hidrgeno, es decir :

C = 0,88 y H = 0,12 El aire estequiomtrico requerido para la combustin ser :

Am = 8,90 (0,88) + 26,67 (0,12) = 11,03 m3 de aire.

En la Figura 2.1 se presenta un nomograma que permite la directa determinacin de los poderes calorficos de cualquier combustible industrial, conociendo su relacin carbono/hidrgeno. El conocimiento del calor de disociacin de cualquier combinacin de carbono e Hidrgeno, permitir conocer directamente su poder calorfico, restndolo de la suma de los calores de reaccin de los elementos disociados (carbono e Hidrgeno) en forma individual. Figura 2.1 Poder Calorfico Inferior en funcin de la relacin (carbono / Hidrgeno)

Analicemos como un ejemplo tpico el caso de la combustin del metano que se mostr grficamente en la Figura 1.5 y se desarrolla en la siguiente forma :

CH4 + 2 O2 CO2 + 2 H2O H = - 192.500 kcal/kmol

En la cmara de combustin el CH4 se disociar en 2H2 y C elemental. El H2 reaccionar violentamente aportando importantes cantidades de calor y formando H2O.

2 H2 + O2 2 H2O H = - 116.400 kcal/kmol

9000

10000

11000

12000

3 4 5 6 7 8

RELACION (C/H)

P.C

.I.

(kcal/

kg

)



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El carbn atmico producto de disociacin, en presencia de oxgeno, formar rpidamente CO y completar la reaccin de combustin en fase gaseosa, formando CO2 como producto final de combustin y aportando la cantidad correspondiente de calor.

C + O2 CO2 H = - 97.600 kcal/kmol La cantidad total de calor liberada ser la suma de las aportadas por la combustin de ambos en forma individual (214.000 kcal), menos la invertida para disociar su composicin original, de acuerdo a la siguiente reaccin :

CH4 C + 2 H2 H = 20.900 kcal/mol La diferencia (193.100 kcal/mol) resultar un valor muy aproximado al poder calorfico del metano (192.500kcal/mol) determinado en el laboratorio. Cuadro 2.2 Poder Calorfico de combustibles en funcin de la relacin (Carbono/hidrgeno)

En el Cuadro 2.2 se presentan los poderes calorficos que corresponden a cada combustible en funcin de su relacin carbono/hidrgeno, sus calores de disociacin y el poder calorfico real producto de la diferencia de ambos, para los combustible ms conocidos y utilizados en la prctica industrial.

Combustible Relacin (C/H) P.C.I. (kcal/kg)

Metano 3 11971

4 11362

Propano 4,5 11094

4,8 10944

5 10851

Diesel 2 5,5 10476

6,5 10079

7,5 9706

Residual 8,1 9690



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2.2 Esquema bsico de la combustin industrial Los procesos de combustin en instalaciones industriales siempre obedecen a un esquema bsico, cuyo conocimiento y comprensin resultan la llave maestra para acceder a cualquier proceso de combustin que se desee conocer y mejorar.

En la Figura 2.2 se muestra el esquema bsico de la combustin industrial, en el cual se establece que una buena combustin requiere 3 puntos fundamentales: Figura 2.2 Diagrama esquematico de la Combustin industrial



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a) Proporcin correcta aire - combustible

El diseo del quemador deber asegurar el suministro de las cantidades adecuadas de aire y combustible en el sistema, estableciendo mrgenes de regulacin para ambos.

Para asegurar la combustin completa deber proporcionarse un exceso de aire, procurando que sea lo mnimo que resulte posible.

El anlisis de los gases de combustin permitir conocer el exceso de aire y la eficiencia de la combustin.

En funcin del anlisis de gases en forma manual o automatizada, se deber efectuar ajustes en las variables de operacin, controlando los resultados obte-nidos.

Manejando correctamente los puntos anteriores se lograr una combustin

completa.

b) Mezcla adecuada aire combustible

El diseo del quemador deber proporcionar las condiciones de mezcla aire-combustible ms adecuadas para cada caso.

La mezcla debe ser uniforme y permanente para cada punto de regulacin dentro de los mrgenes de operacin.

El objetivo principal de la mezcla ser el lograr el mximo contacto superficial entre oxgeno y combustible.

El estado fsico del combustible determinar las condiciones operativas que permitan preparar el combustible (pulverizacin, atomizacin, vaporizacin) en el caso de slidos y lquidos, y efectuar la mezcla en forma conveniente para cada caso.


ptima.

c) Ignicin inicial y sostenida de la mezcla

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



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Resulta necesario aplicar mucho calor a un rea localizada para acelerar la reaccin.

La mezcla se encender slo al alcanzar su temperatura mnima de ignicin, variable para cada combustible.

Al producir las reacciones de combustin ms calor del que se pierde a los alrededores, se mantendr la combustin sin necesidad de la fuente externa.


auto-sostenida y estable para las condiciones del proceso. El cumplimiento de estos 3 requerimientos permitirn :

Lograr el mximo aprovechamiento del poder calorfico del combustible utilizado.

Aportar el calor requerido por el sistema con el menor consumo de combustible y las condiciones operativas tcnica y econmicamente ms adecuadas.

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

2.3 Tipos de combustin El objetivo fundamental de la combustin es el de conseguir la oxidacin total del carbono y del hidrgeno para formar dixido de carbono (CO2) y agua (H2O) con lo cual se produce la mxima energa en forma de calor y se evita efectos contaminantes. La combustin podemos clasificarla desde el punto de vista de la calidad de sus productos y por la forma en que se realiza.

2.3.1 En funcin de sus productos

Se puede considerar los siguientes tipos de combustin:

Combustin perfecta (estequiomtrica)

Combustin completa (con exceso de aire)

Combustin incompleta (con defecto de aire)

Combustin imperfecta (pseudo combustin)



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a) Combustin Perfecta Estequiomtrica (Figura 2.3) Este tipo de combustin se consigue mezclando y quemando las cantidades

exactamente requeridas de combustible y oxgeno, los cuales se queman en

forma completa y perfecta.

Esta combustin completa est sin embargo, fuertemente limitada por condiciones qumicas y fsicas, ya que slo en teora podemos hablar de reacciones perfectamente estequiomtricas. Se plantean para realizar los clculos tericos de la combustin, etc. en funcin de la composicin del combustible y el comburente empleados. Figura 2.3 Combustin perfecta estequiomtrica

b) Combustin completa con exceso de aire (Figura 2.4) Para tener una combustin completa, es decir, sin presencia de monxido de

carbono en los humos de chimenea, es necesario emplear una proporcin de



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oxgeno superior a la terica. Este exceso de aire conlleva especialmente 2

efectos importantes en cuanto al proceso de la combustin:

Disminucin de la temperatura mxima posible al aumentar la cantidad de gases en la combustin.

Variacin sensible en cuanto a la concentracin de los xidos formados respecto al nitrgeno, lo que se traduce en una disminucin de la eficiencia de la combustin.

El exceso de aire se expresa en porcentaje restndole el terico estequiomtrico, el cual corresponde al 100%; es decir, una cantidad de aire de combustin del 120% respecto al estequiomtrico, se expresar como 20% de exceso de aire. El ndice de exceso de aire (n), tambin empleado en la prctica, ser en este caso: n = 1.2. Figura 2.4 Combustin completa con exceso de aire

c) Combustin incompleta con defecto de aire (Figura 2.5) Cuando el oxgeno presente en la combustin no alcanza el valor del terico necesario para la formacin de CO2, H2O y SO2 la combustin es nece-sariamente incompleta, apareciendo en los gases de combustin el monxido de carbono, hidrgeno y partculas slidas de carbono, azufre o sulfuros.



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Figura 2.5 Combustin incompleta con defecto de aire

Considerando que estos componentes de los gases que se eliminan a la atmsfera contienen an apreciable contenido calorfico, las prdidas por combustin incompleta son elevadas cuando se proporciona menos aire del necesario. En la prctica, la presencia de inquemados resulta determinante del exceso de aire necesario. La presencia de CO en los humos crea adems el riesgo de explosin, al llegar a atmsferas sbitamente oxidantes. Un 1% de CO en los gases produce una prdida de aproximadamente un 4%

del poder calorfico del combustible.

d) Combustin imperfecta (Figura 2.6) Se produce una combustin imperfecta o seudocombustin oxidante cuando pese a existir exceso de aire, no se completan las reacciones de combustin, apareciendo en los humos de chimenea productos de combustin incompleta, tales como inquemados, residuos de combustibles sin oxidar, partculas slidas, etc. Este tipo de combustin puede producirse debido a las siguientes causas:

La elevada carga trmica del hogar, es decir, la relacin entre la potencia calorfica y el volumen del hogar, ya que existe poco tiempo de permanencia.



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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 fraccin muy pequea de su potencia nominal.

La falta de uniformidad de pulverizacin en los combustibles lquidos, ya que cuanto mayor sea el nmero de gotas de gran tamao, tanto ms fcil es que se produzcan inquemados, puesto que una gota de gran dimetro 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 fras, como el frente de la cmara de combustin o las paredes de un tubo de llama y tambin cuando se trabaja con un gran exceso de aire.

El alto porcentaje de carbono en los combustibles. En la prctica, este es el tipo de combustin ms generalizado por resultar ms ajustado a la realidad. En la medida que se mejore la combustin imperfecta aproximndose a las condiciones tericas de combustin completa con mnimo exceso de aire, se lograr mejores rendimientos y se evitar efectos contaminantes. Figura 2.6 Combustin imperfecta



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2.3.2 Por la forma en que se realiza Siendo siempre la reaccin elemental la que se produce en la prctica industrial, puede presentarse el combustible en estado slido, lquido o gaseoso, lo cual determina diferentes niveles de dificultad para que se produzca el contacto y reaccin con el comburente. El conocimiento prctico y estudio terico de las reacciones de combustin, nos permiten tambin simplificar en este campo, definiendo que existen nicamente dos tipos de combustin :

- Reaccin Homognea GAS-GAS; la que se produce entre el hidrgeno y CO con el oxgeno para dar lugar a H20 y CO2.

- Reaccin Heterognea SOLIDO-GAS; tpica del carbn en cualquiera de sus formas, que se produce por difusin trmica y molecular en el entorno de la partcula de carbono para formar primeramente CO y finalmente CO2.

a) Reaccin Homognea Gas-Gas

El mecanismo general de las reacciones de combustin que hemos definido para el mbito de la combustin industrial nos permite establecer que slo nos interesan las reacciones que se producen entre el Hidrgeno y el CO del combustible con el oxgeno del aire. En la reaccin homognea que se produce entre estos elementos, resultar determinante el nivel de contacto entre reactantes; tratndose de gases que incrementan su volumen y turbulencia a medida que elevan sus niveles termodinmicos, resultar determinante para el control de la combustin el diseo de la cmara de combustin que permita un adecuado flujo de los productos de la combustin, manteniendo condiciones estables de la atmsfera en la que se realizan las reacciones de combustin. Las llamas caractersticas de la combustin de gases tiene una apariencia azulada, propiciada por la presencia de productos intermedios de combustin o no presentan coloracin alguna en el espectro visible.

b) Reaccin Heterognea slido gas Es la que se produce en el entorno de la partcula de carbono para formacin de CO y subsecuente combustin con el oxgeno para formar CO2. Los factores determinantes de la velocidad de reaccin en este caso dependern del tamao de partcula y la disponibilidad de oxgeno en su entorno. Debido a que la velocidad con que se efectan las reacciones homogneas de H2 y CO es muy alta, la velocidad con que se efecta la reaccin slido gas del carbn resulta determinante del proceso en la gran mayora de casos que se presentan en la combustin industrial, an tratndose de combustibles gaseosos.



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En cierta forma, siempre se produce cierto nivel de coexistencia de ambos tipos de combustin, como se ver al efectuar un anlisis ms detallado cuando, se trate en forma individual la combustin de slidos, lquidos y gases.

2.4 Mecanismo de la reaccin heterognea Definida la reaccin heterognea como el punto de convergencia ineludible de todas las formas de combustin industrial y representando el factor fundamental de control del proceso, resultar de la mayor importancia conocer el mecanismo a travs del cual se produce la oxidacin de la partcula de carbn. La reaccin se inicia en la superficie de la partcula al ponerse en contacto los tomos de carbono y las molculas de oxgeno, generalmente contenido en el aire, que acta como comburente y se alcanzan las condiciones mnimas para desencadenar la reaccin. A temperatura ambiente, el carbn en contacto con el aire ya se encuentra reaccionando y liberando calor, aunque en forma imperceptible debido a la escasa cintica de la reaccin. Para cumplir las exigencias de aporte de calor en los procesos industriales, la reaccin tiene que ser violenta y para ello se debe llegar a la ignicin, con la que la que se inicia la llama cuando se emiten suficientes gases de CO por reaccin superficial. La oxidacin completa se produce en 2 etapas:

Etapa 1: La reaccin heterognea propiamente dicha:

C + O2 CO + 31,500 kcal/mol Al reaccionar el C con O2 forma CO que se desprende como gas.

Etapa 2: La reaccin entre el CO desprendido y el O2 disponible en el medio.

CO + O2 CO2 + 62,500 kcal/mol La condicin trmica inicial de la partcula depende del combustible original, influenciando su calentamiento hasta este punto la desvolatilizacin de la partcula slida, el craqueo y gasificacin de gotas, y el craqueo de gases.

Difusin trmica del calor desde el medio hacia el interior de la partcula para favorecer el calentamiento que acelere la cintica de la reaccin heterognea que se produce en la superficie de la partcula.



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Difusin molecular del oxgeno hacia la pelcula que rodea la partcula y el interior de los poros dejados por la slida de voltiles.

Difusin molecular del CO producido en la superficie hacia el medio donde completa su reaccin convirtindose en CO2 .

En la Figura 2.7 se muestra la forma en que se desarrolla la combustin heterognea, hasta completar la combustin cuando la partcula de carbn ha desaparecido.

Figura 2.7 Combustin Heterognea Los parmetros que permiten caracterizar la partcula de carbn en cuanto a su comportamiento durante el proceso de combustin son los siguientes:

a) Tamao de partcula: Expresado como dimetro promedio en micras, resulta determinante de la velocidad de reaccin y liberacin de calor. Se planifica en la molienda de carbn pulverizado en funcin de la formacin de llama que se debe adecuar a la cmara de combustin y el proceso. En el caso de combustibles lquidos resulta determinado por el tamao de gotas atomizadas por el quemador y las condiciones de progresin trmica en el reactor. Si las gotas se craquean antes de vaporizarse, las partculas alcanzarn algunas decenas de micras; si se craquean como gases, el tamao de las partculas ser apenas de unas centenas de Angstrons. En la combustin de gases, al producirse el craqueo en fase gaseosa, el tamao de partcula siempre ser inferior a 1 micra (400-500 A).

b) Porosidad: Influencia la velocidad de reaccin al incrementar la superficie de contacto para calentamiento y reaccin heterognea.



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En los carbones minerales depende de su naturaleza y rango, marcado por su

nivel de desgasificacin previo efectuado por la naturaleza o coquizacin

artificial.

En los lquidos la volatilizacin y desgasificacin se produce simultneamente, por lo cual la porosidad se presume en funcin de la naturaleza del combustible atomizado. Cuando se trata de gas natural, el tamao microscpico de las partculas resta importancia a su porosidad.

c) Contenido de voltiles: Al gasificarse y quemarse con relativa facilidad, los voltiles influencian la velocidad de calentamiento de la partcula y por tanto la cintica de la reaccin heterognea, disminuyendo el tiempo de reaccin para un mismo tamao de partcula.

d) Reactividad: Depende de las caractersticas superficiales de la partcula y de la presencia de centros activos de reaccin, caracterizados por irregularidades propiciadas por rugosidades, concentracin de combinaciones del oxgeno, hidrgeno, azufre, etc. Las caractersticas trmicas de la partcula, tales como su calor especfico, conductividad trmica y su estabilidad de volumen (hinchamiento y crepitacin) al calentarse, influencian directamente su reactividad en presencia de oxgeno.

2.5 El reactor de combustin La combustin en una atmsfera libre puede efectuarse con fines de iluminacin, aprovechando la energa luminosa de la llama de difusin, pero con fines de aprovechamiento trmico representa niveles demasiado bajos de aprovechamiento energtico, aceptables solamente en el campo artesanal. En actividades industriales, las exigencias de concentracin trmica y costos establecen la necesidad de que las reacciones de combustin se efecten en el interior de un reactor llamado comunmente hogar o cmara de combustin. El diseo de reactores de combustin obedece principalmente a criterios vinculados al proceso para el cual se genera calor y la forma de transferencia de calor requerida. El diseo de un reactor ideal para asegurar combustin completa podra ser definido en los siguientes trminos y/o condiciones:



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Longitud : Debiendo alojar la llama y dependiendo sta del tiempo de reaccin de las partculas de carbn, en la medida que se acelere la cintica de la reaccin con temperatura y turbulencia, podr acortarse el tiempo de reaccin completa y la longitud de la llama y por tanto, el reactor.

Volumen til : Se podr acortar la longitud del reactor en la medida que se acorte la llama, pero al hacerlo podra abrirse en forma cnica determinando que el ancho y la altura tengan que ampliarse para evitar el impacto de llama sobre las paredes. En la medida que se logre formar una llama ms compacta se podr reducir el volmen til requerido de reactor. El impulso rotacional y el difusor cumplen esta funcin.

Concentracin de calor: Un reactor ideal tendra que ser concebido construdo con paredes de material refractario de la mayor reflectividad con capacidad para absorber calor y reflejarlo, mantenindose en equilibrio trmico. La forma del reactor tambin presentara el mejor comportamiento con un diseo cnico o cilndrico, permitiendo concentrar la mayor cantidad de calor en el centro de la llama.

Siendo desarrollado el proceso de la combustin en reactores que normalmente dependen del proceso, los casos ms frecuentes en los equipos ms difundidos en la industria : Hornos y Calderos. Analicemos las caractersticas de los reactores de combustin en los tipos ms frecuentes :

a) Hornos rotatorios : En estos reactores de forma cilndrica la llama se forma a partir de un chorro recto confinado. Este reactor presenta la facilidad de poder alargar la llama sin limitaciones de impacto con una pared posterior, pero igualmente tendr que disponer de suficiente impulso total para mantenerla centrada y el diseo del quemador tendr que permitir la formacin de llama cnica hueca para evitar que se abra impactando con las paredes. Los hornos rotatorios son circulares, por lo que presentan el volmen til ms conveniente y ofrecen buenas condiciones de concentracin trmica. Las caractersticas del proceso influencian la concentracin de calor; as existe una gran diferencia entre el comportamiento del material en procesos de hornos de cal (reaccin endotrmica) y de clnker para cemento (reaccin exotrmica). En los secadores rotatorios tambin se presenta menor concentracin de calor y temperaturas de llama por ser la vaporizacin fuertemente endotrmica.

b) Hornos de fundicin : En este tipo de hornos el reactor est muy lejos de constituir un diseo ideal, debido a que el material a ser fundido se encuentra en el piso y se alojan llamas en un extremo del horno, calentando el material hasta fusin por transferencia de calor por radiacin y en menor medida por conveccin. El nivel de concentracin trmica es alto debido a los niveles de temperatura, pero las prdidas por radiacin en las paredes y el techo tambin son altas. Una mejora considerable de estos hornos como reactores de combustin se ha logrado incorporando mayor nmero de quemadores en las paredes y en el techo.



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Hornos de Fundicin

Los hornos de calentamiento presentan caractersticas semejantes como reactores de combustin, pero con menores niveles trmicos.

c) Hornos verticales : En este tipo de hornos el volmen util para la reaccin resulta muy limitado , estando por ello muy lejos de presentar condiciones ideales como reactor de combustin. La utilizacin de combustibles muy fciles de quemar, precombustin en troneras auxiliares y diseo de hornos con planos inclinados que permitan alojar llamas han sido alternativas aplicadas con xito. La incorporacin del combustible con el material en proceso convierte a todo el horno en reactor, pero con eficiencia muy variada en cada etapa del proceso.

d) Calderos pirotubulares

En los calderos antiguos se utilizaban hogares de combustin de material

refractario, orientando su diseo a losgrar combustin completa, aprovechando

el calor generado en varios pasos de tubos transfiriendo calor por conveccin.

Las exigencias de optimizacin energtica y de diseo han orientado la tendencia en calderos a ubicar la llama en cmaras de agua (fleur) y ubicar paredes hmedas, que reemplazan los altares de refractarios por conductos de agua que refrigeran y se calientan simultneamente. Esta tendencia obliga a optimizar la combustin para asegurar combustin completa, cada vez ms difcil por la menor concentracin de calor.



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e) Calderos acuotubulares

Las cmaras de combustin en estos calderos estn formadas por tubos de

agua cada vez ms compactos, complicando su funcin como reactores de

combustin. Esta tendencia ha obligado a desarrollar quemadores con

capacidad para formar llamas cada vez ms turbulentas y compactas, lo que

se ha logrado creando una zona de menor presin en la zona central de la

llama (llama cnica hueca).

Los calderos de alta capacidad con grandes cmaras de combustin y un gran nmero de quemadores se orientan a aprovechar la mayor eficiencia de transferencia de calor por radiacin desde la llama a los tubos de agua que forman el reactor, resultando similar su concepto de funcionamiento y aprovechamiento trmico a los aplicados en los hornos de fundicin.



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CAPITULO III

La combustin como proceso fisicoqumico

Al producirse y manejarse la reaccin de combustin con el propsito de aprovechar el poder calorfico del combustible con fines industriales, adecuando su desarrollo a los requerimientos de un determinado proceso trmico, se establece condiciones que convierten a la combustin en el proceso fisicoqumico que conocemos como llama.

La llama es la combustin misma, el espacio donde se desarrolla la combustin y la manifestacin visible de la combustin; todo al mismo tiempo.

Por ello resultar de la mayor importancia dominar los 3 campos de la tecnologa que resultan fundamentales en el desarrollo de la combustin y la determinacin de las caractersticas de la llama: Mecnica de Fludos, Cintica Qumica y Transferencia de Calor.



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3.1 La llama como manifestacin visible de la combustin

En trminos tericos, la llama es el medio gaseoso en el que se desarrollan las reacciones de combustin, produciendo radiaciones luminosas de origen tanto trmico como qumico, no necesariamente en el espectro visible, que constituyen manifestaciones de las condiciones en que se efecta la generacin de calor.

En trminos prcticos, podramos definir a la llama como "el espacio donde se

realiza la combustin", o tambin, como "la manifestacin visible de la

combustin", cuando se trata de combustibles slidos y lquidos. La mezcla combustible-comburente es la fuente de la llama; el quemador es su

creador, vigilante y mantenedor.

La creacin y mantenimiento de una llama apropiada, es un requisito previo e imprescindible para el aprovechamiento racional de la energa contenida en el combustible y que es capaz de arder en forma de calor. Decir que una llama es apropiada, significa que tiene un conjunto de cualidades y caractersticas de naturaleza geomtrica, fsica y qumica idneas y compatibles con la aplicacin perseguida.

3.1.1 Condiciones Lmites para que se produzca una llama

a) Lmites de inflamabilidad

La relacin de combustible/oxgeno (aire) resulta crtica. Si esta relacin es muy pequea el combustible ser muy pobre para quemarse, y si es demasiado



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grande, ser demasiado rica para arder. Los lmites de la relacin combustible aire, en ambos sentidos, se llaman "lmites superior e inferior de inflamabilidad del combustible". En el Cuadro 3.1 se presentan valores para algunos gases y vapores conocidos. Cuadro 3.1 Lmites de inflamabilidad

b) Lmites de temperatura

Las Temperaturas mxima y mnima, a las que pueden encontrarse los gases de combustin, coincidentes con los instantes final y de encendido de la llama, establecen igualmente lmites por sobre los cuales, no podr mantenerse una combustin estable, por romperse el equilibrio entre la difusin trmica y la veloci-dad de produccin de calor.

c) Lmites de presin

Existen igualmente lmites de presin que establecen un intervalo de presiones, dentro del cual puede existir una llama. Por debajo de 1 mbar absoluto las llamas tienden a extinguirse. El lmite superior lo establece la peligrosidad de la mezcla a altas presiones, pudiendo estar por encima de 100 bar.

d) Lmites por el "efecto pared" Los intercambios trmicos entre la llama y las paredes del recinto, establecen un

lmite denominado "efecto pared". Incluye la propia boquilla de salida, lo cual hace que en sus proximidades no se observe llama, y la presencia de "puntos fros" en el interior de la cmara de combustin.

% Volumen en aire

Sustancia Lmite Inferior Lmite Superior

Monxido de carbono

(CO) 12,5 74,0

Hidrgeno (H2) 4,1 74,0 Metano (CH4) 5,3 14,0 Etileno (C2H4) 3,0 29,0 Etano (C2H6) 3,2 12,5

Propano (C3H8) 2,4 9,5 Butano (C4H10) 1,9 8,4

Pentano (C5H12) 1,4 7,8 Benceno (C6H6) 1,4 6,7

Gas Natural 4,8 13,5



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3.1.2 Tipos de llamas y su clasificacin

a) Por la modalidad de la mezcla del combustible

Llamas de difusin: Cuando la mezcla del combustible y comburente se realiza en el instante de la combustin.

Llamas de premezcla: Cuando la mezcla de los fluidos se realiza parcial o totalmente antes de alcanzar la cmara de combustin.

b) Por la velocidad del flujo de los reactantes

Laminar: Cuando los fenmenos de la mezcla y transporte ocurren en fluido laminar, es decir, estable, uniforme y a bajas velocidades (no excede 1 m/seg).

Turbulenta: Cuando la velocidad de salida de los gases es importante, con objeto de liberar un mximo de energa por unidad de tiempo, producto de condiciones ms favorables para la mezcla combustible-oxgeno (velocidad unas 50 veces mayor que en fluido laminar).

c) Por su posicin respecto a la boca del quemador

Llamas explosivas libres: Cuando se desarrollan en la atmsfera a la salida de un orificio, sin contacto con paredes laterales.

Estacionarias: Cuando el combustible se quema poco a poco a medida que pasa a travs de una determinada zona del sistema, dando lugar a llamas alargadas y de combustin lenta.

d) Por el estado fsico del combustible

Combustibles gaseosos: Resultan ms simples por hallarse combustibles y comburentes en una sola fase, pero difcilmente observables, y por tanto, difciles de regular y controlar.

Combustibles lquidos: El caso ms frecuente en la prctica, fuertemente atomizados o dispersos, presentan importante presencia de partculas que queman en suspensin, emitiendo en el espectro visible cuando se encuentran en estado incandescente, facilitando su observacin, regulacin y control.

Combustibles slidos: Pulverizados se asemejan a los lquidos; en lecho fijo se complican por intervenir reacciones adicionales de pirlisis.



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3.1.3 Temperaturas de la llama Se denomina temperatura terica de combustin, temperatura adiabtica de combustin o temperatura de combustin calorfica, a la que se obtendra en una combustin estequiomtrica, con mezcla perfectamente homognea y en un tiempo brevsimo que no d tiempo a prdidas calorficas con el ambiente. Para el clculo terico de la temperatura adiabtica de llamas se utiliza la siguiente frmula :

Donde :

Ta : Temperatura adiabtica de llama

PCI : Poder Calorfico Inferior

Vg : Volumen de gases de combustin

Cp : Calor Especfico de los gases de combustin En el Cuadro 3.2 se presenta la comparacin de algunas temperaturas de llamas. Es importante observar que las llamas mas calientes, no son las que en teora corresponden a una mayor liberacin de energa, sino a aquellas cuyos productos finales de la combustin son ms estables. Cuadro 3.2 Temperatura de llamas de algunos combustibles

Las temperaturas reales en la llama, disminuirn en funcin de las condiciones reales de trabajo, dependientes de algunos de los siguientes factores:

a) Calor sensible del aire y el combustible. b) Exceso de aire. c) Caractersticas de la transferencia de calor en la cmara de combustin.

d) Difusin molecular de reactantes. e) Difusin trmica de productos.

COMBUSTIBLE COMBURENTE TEMP. INDICE TEORICA REAL

C EXCESO AIRE n C C

Acetileno Aire 15 1,00 2630 2320 Monxido de Carbono

Aire 15 1,00 2470 2100

Hidrgeno O2 15 ---- 2974 ---- Hidrgeno Aire 15 1,00 2210 2045 Gas Natural Aire 15 1,00 1961 1735 Gas Natural Aire 15 1,00 1961 1880 Metano Aire 15 1,00 1915 1880 Etano Aire 15 1,00 a a Propano Aire 15 1,00 1980 1925 Butano Aire 15 1,00 Fuel oil pesado Aire 15 1,00 2015 Fuel oil pesado Aire 15 1,30 1690 Fuel oil pesado Aire 300 1,00 2120 Fuel oil pesado Aire 300 1,30 1845



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En la Figura 3.1 se puede observar la influencia de la temperatura del aire de combustin y del exceso de aire sobre la temperatura promedio de la llama.

Aunque en el espectro de la llama se distinguen tanto bandas visibles, como infrarrojas y ultravioletas, moleculares y atmicas, e incluso, la mayor parte de calor se transfiere en la banda de infrarrojos, no visible al ojo humano, en la prctica resulta de indiscutible validez y gran utilidad el juzgar la temperatura de la llama por observacin visual de su coloracin. Como ejemplo, en el Cuadro 3.3 se presentan las temperaturas que corresponden a los colores observados en la llama de un horno rotatorio para cemento. Cuadro 3.3. Temperaturas que corresponden a los colores de la llama

Cuadro 3.3

Color y Temperaturas de llamas

COLOR F C

Rojo suave 875 475 Rojo suave a rojo oscuro 875 -1200 475 - 650 Rojo oscuro a rojo cereza 1200 - 1375 650 - 750 Rojo cereza a rojo cereza 1375 - 1500 750 - 825 brillante Rojo cereza brillante a naranja 1500 - 1650 825 - 900 Naranja a amarillo 1650 - 2000 900 - 1090 Amarillo a amarillo brillante 2000 - 2400 1090 - 1320 Amarillo brillante a blanco 2400 - 2800 1320 - 1540 Blanco a blanco deslumbrante ms de 2800 ms de 1540

Figura 3.1 Influencia de la temperatura del aire de combustin y del exceso de aire sobre la temperatura de llama.



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3.2 FORMACIN DE LLAMA Y GASODINMICA DE LA COMBUSTIN

El desarrollo de un proceso de combustin y la conformacin de llama en el interior de un reactor o cmara de combustin, constituyen en lo fundamental un problema de mecnica de fludos que permite controlar a travs de la intensidad de mezcla la cintica de la reaccin de combustin, en la forma que permita establecer las condiciones ms favorables y adecuadas de transferencia de calor. La comprobacin prctica de que siempre se cumplen los postulados de la teora inorgnica de la combustin, nos conduce a una visin diferente, ms simple y objetiva, de la combustin industrial. Se pueden establecer 4 etapas en el desarrollo del proceso de combustin:

Mezcla de combustible y comburente

Ignicin y encendido de la mezcla

Reaccin qumica

Difusin de los productos de la combustin. La ignicin y la reaccin qumica son rapidsimas, prcticamente instantneas, mientras que la mezcla y difusin de gases resultan lentas, complicadas y difciles. En el interior de las cmaras de combustin se maneja la combustin como

una suspensin de partculas de carbn en el aire que al reaccionar

producirn gases de combustin y calor.

La forma de la llama resulta influenciada por las caractersticas de tamao, naturaleza y composicin de las partculas de coque procedentes de la molienda de carbn mineral, craqueo en fase lquida o gaseosa de combustibles lquidos, o craqueo de gases, pero determinada finalmente por



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las caractersticas de los impulsos de los flujos dominantes, aire primario o el propio combustible cuando se trata de gas natural. En consecuencia, la mecnica de fluidos resulta fundamental para determinar la forma en que se efecta la reaccin de combustin y la definicin de las caractersticas de la llama. Para conocer los factores que afectan la formacin de llama en el campo de la mecnica de fluidos, analicemos la gasodinmica de la combustin : El flujo que emerge de una tobera forma un chorro que acta dinmicamente sobre el ambiente que lo rodea, perdiendo velocidad y succionando aire o gas de los alrededores. El chorro se proyecta en la direccin prevista, perdiendo velocidad y succionando gas de los alrededores. En un chorro libre la presin esttica es constante, mientras que en un chorro confinado la presin se incrementa con la distancia de la tobera ocasionando la formacin de una zona de recirculacin.

Figura 3.2 Esquema de chorro en espacio libre

Un chorro en un espacio libre se compone de las 4 partes que se muestran en

la (Figura 3.2).

Corazn o ncleo del chorro

Zona de mezcla

Zona de transicin

Chorro completamente desarrollado

La regin del ncleo se caracteriza por velocidad constante y concentracin similar a la de la tobera. Fuera de esta zona se desarrolla una capa lmite en la cual momento y masa se transporta en forma perpendicular al flujo. La longitud



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del nucleo es 4 o 5 veces el dimetro de la tobera. La regin transitoria que puede alcanzar unos 10 dimetros precede a la formacin del chorro final. La forma del chorro se caracteriza por el ngulo mitad , el cual se forma entre

el eje del chorro y la lnea formada por los puntos en los cuales la velocidad es

la mitad de la velocidad en el eje (Figura 3.3).

El chorro que fluye de la tobera en un horno tubular puede ser caracterizado

como un chorro libre recto circular, habindose comprobado como valor

prctico para el ngulo mitad 4.85 , el cual no vara con la confinacin del

chorro; sin embargo, el grado de turbulencia (S) puede incrementarlo en la

siguiente forma:

NGULO MITAD = (4.85) (7S) A partir del punto medio entre la tobera y la proyeccin del chorro que toca la

pared del horno, el chorro puede considerarse y comportarse como un chorro

confinado, por lo cual se presenta la recirculacin de gases quemados.

Al producirse la ignicin del combustible y convertirse el chorro en llama,

delimitando el frente de llama, se incorporan al flujo los gases de combustin

producidos y la energa generada por la reaccin, los cuales influencian en

forma distinta la cintica de la reaccin y por tanto la longitud de llama.

Mientras que el calor generado incrementa la velocidad de reaccin, la

presencia de gases de combustin ya quemados e inertes disminuyen la

disponibilidad de oxgeno para la reaccin y por lo tanto la demoran.



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Figura 3.3 Forma del chorro, caracterizado por el ngulo mitad

El chorro de los quemadores unicanal puede ser considerado como un chorro

recto circular, como el que se muestra en la (Figura 3.4) El incremento de presin que ocasiona el chorro genera una recirculacin de gases quemados hacia la zona exterior, tomando la llama una forma cnica. Siendo el ngulo mitad de 4.85, aproximadamente a unos 3 dimetros del horno se debera producir el impacto de la llama con las paredes del horno.

Figura 3.4 Chorro recto circular

Si el quemador dispone de suficiente energa cintica para mantener formada

la llama y la cintica de la reaccin es suficientemente rpida para completar la

combustin en este trayecto, al punto P impactaran gases quemados y la

llama formada resultar ideal. Si por el contrario, la combustin no se



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completa, sobre el punto P impacta llama provocando problemas; para evitarlo,

se resta potencial al quemador, el chorro pierde velocidad y se igualan las

velocidades con el aire secundario restante y los gases quemados, la llama se

desarma antes de impactar y la combustin se completar dentro de la masa

uniforme de los gases circulando a travs del tubo del horno sin ningn control,

dando lugar a pegaduras, anillamientos y la presencia de inquemados a la

salida del horno, debido a que la posibilidad de combustin completa

desaparece.

Al incorporar un tubo central convirtiendo el ducto en un espacio anular se crea una depresin en el centro que propicia que se produzca la recirculacin interior de gases quemados calientes que se utiliza en algunos casos para estabilizacin de la llama. Este efecto se incrementa al incorporar una placa central o proporcionar radialidad al flujo (Figura 3.5).

Figura 3.5 Perfil del flujo por efecto de la radialidad proporcionada.

Cuando se imprime rotacin a un fluido se consiguen los chorros giratorios que modifican su perfil de velocidades por efecto de la rotacin, como se muestra en la (Figura 3.6) . En (a) no existe rotacin; en (b) hay una rotacin ligera que hace aumentar la velocidad perifrica y deprime la central ; en (c) se alcanza



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el umbral crtico, anulndose la velocidad en el centro; en (d) el estado es supercrtico, con inversin de velocidades en el centro. Para cuantificar este efecto se utiliza el concepto de Fuerza de Rotacin que

es un nmero adimensional definido por la relacin del momento del impulso

tangencial con el producto del radio del inyector por el impulso axial.

Figura 3.6 Perfil de velocidad por rotacin del fluido.

En los chorros giratorios se incrementa la masa arrastrada por el fluido inductor en la medida que aumente la fuerza de rotacin, como se puede observar en la (Figura 3.7) en la cual se grafica la relacin de masa total a masa inductora para chorros con diferente fuerza de rotacin.

a b c d

Figura 3.7 Relacin de masa total a masa inductora para chorros con diferente fuerza de rotacin.



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La divisin del flujo dominante, aire primario y/o gas natural, en componentes

axial y radial permite controlar la forma y tendencias de la llama en el interior

de la cmara de combustin, lo que resulta de una importancia determinante

para 3 propsitos fundamentales:

Formar la llama que permita aprovechar al mximo el volumen til de la cmara de combustin

Disponer de la mxima potencia calorfica

Imprimir la intensidad de mezcla que resulte adecuada para asegurar combustin completa.

Podemos mencionar varios ejemplos de aplicacin que muestran la importancia de la aplicacin de estos conceptos en el desarrollo tecnolgico industrial:

En Calderos acuotubulares: La adecuacin de la forma de llama a las geometras rectangulares de los hogares de paredes de agua ha permitido conseguir una reduccin formidable de sus dimensiones, consiguiendo unidades cada vez ms grandes en capacidad de generacin de vapor pero mucho ms compactas, ahorrando espacio, materiales y energa, porque tambin resultan considerablemente ms eficientes.

En hornos cementeros: La formacin de llama cnica hueca ha resultado tan importante para lograr las condiciones adecuadas de potencia trmica, transferencia de calor y estabilidad operativa que exige el proceso de clinkerizacin que ya no se concibe un horno cementero que no opere con este tipo de llama y resulte competitivo.

En hornos cermicos : La formacin de llamas planas para evitar su impacto

sobre las piezas en proceso ha permitido conseguir excelentes condiciones de

transferencia de calor y mejorar la calidad de acabados.



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3.3 Emisividad de llama y transferencia de calor por radiacin

La radiacin es la transferencia de calor mediante energa radiante que parte de la superficie de la sustancia emisora en todas direcciones y que no necesita de un soporte material. Cuando esta energa alcanza otro cuerpo, parte de ella puede reflejarse, otra parte puede ser transmitida a travs del cuerpo receptor, cuando es diatrmico y finalmente el resto es absorbida. La radiacin trmica se asocia a una radiacin electromagntica con un intervalo de longitudes de onda entre 0,01 y 100 micras.

Para calcular el calor transmitido por radiacin se aplica la frmula:

en donde:

Qr : calor emitido por radiacin por m2 y hora (Kcal/h.m

2)

C = constante de valor = 4,92 x 10-8

h.m20

K4

= emisividad del material, que depende de la naturaleza del cuerpo radiante.

T1 = Temperatura del cuerpo emisor 0K (

0C + 273)

T2 = Temperatura del cuerpo receptor K (0C + 273)

Para efectos del trabajo de los hornos en la zona crtica, la transferencia de

calor por radiacin desde la llama resulta un factor de la mayor importancia,

debiendo destacarse que :

Resulta proporcional a la temperatura elevada a la cuarta potencia. La temperatura de llama vara con el exceso de aire de combustin y la temperatura del aire secundario, en la forma que se mostr en la Figura

3.1.

Resulta proporcional a la emisividad de la llama, la cual a la vez depende de la permanencia de las partculas en estado incandescente. La emisividad de llamas de carbn, petrleo y gas natural se puede observar



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en la Figura 3.8. La baja emisividad de las llamas de gas natural debe procurar compensarse, demorando la disponibilidad de las partculas para que se produzca el hollinamiento que favorezca la emisividad y transferencia de calor por radiacin.

Figura 3.8 Emisividad de llama

3.4 Difusin de gases de combustin y transferencia de calor por conveccin

La transmisin de calor por conveccin se refiere generalmente a la

transferencia de calor desde la superficie lmite de un slido a un fluido, debido

a las diferencias de densidad entre las zonas calientes y fras del mismo

(conveccin natural), pudiendo favorecerse este movimiento por medios

mecnicos (conveccin forzada).

Para calcular el calor transmitido por conveccin se aplica la frmula:



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Donde:

Qc : Calor transmitido al fluido desde la superficie de un slido por m2

(Kcal/h . m2).

hm : Coeficiente de transmisin desde la superficie al fluido sin incluir la energa radiada (Kcal/h.m

2. C)

ts : temperatura de la superficie del slido (0C)

tm : temperatura media del fluido (0C)

R : resistencia trmica (C . h . m2 ) / kcal

La transferencia de calor por conveccin:

aumenta cuando aumenta ts

aumenta cuando disminuye tm

aumenta cuando aumenta el valor de hm

El valor de hm depende de muchos factores y en general no es fcil de determinar tericamente, por lo que se obtiene a partir de experimentos y correlaciones utilizando la teora de modelos y nmeros adimensionales.

Vara con:

Las propiedades fsicas del fluido (conductividad trmica, densidad, calor especifico, viscosidad).

Dimensiones del aparato

Velocidad del fluido

Existencia de cambio de fases

incremento de temperaturas

Figura 3.9 Horno de cemento, un excelente ejemplo de aprovechamiento de calor por radiacin, utilizando materiales refractarios para mejorar la transferencia de calor.



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En los hornos, calderos y procesos industriales se produce transferencia de calor por conveccin en todo el circuito de circulacin de los gases de combustin desde la llama hasta la chimenea de salida. El diseo de los procesos, instalaciones y equipos industriales determinan los niveles de aprovechamiento del calor liberado en la combustin en funcin de las condiciones que favorezcan la transferencia de calor por conveccin de los

gases calientes al proceso y el revestimiento interno del horno (Figura 3.9).

3.5 Estabilidad de llama y las 7 tes de la combustin.

La velocidad de una llama, puede variar entre unos pocos centmetros por segundo (mezcla propano-aire) y varias decenas de metros por segundo (mezcla estequiomtrica vapor de kerosene-aire, con 40 m/s). La superficie que limita la llama por su parte anterior se denomina frente de llama y su situacin est condicionada por un equilibrio entre la velocidad de circulacin de los gases y la velocidad de propagacin de la llama; expresado en trminos prcticos, para conseguir una llama estable se debe mantener un equilibrio entre la velocidad con la que ingresa la mezcla combustible y la velocidad con la que se quema (Figura 3.10). El frente de llama puede resultar muy inestable, considerando los mltiples factores que intervienen en la cintica de la reaccin de combustin, determinando que se aproxime al quemador hasta introducirse en el mismo, producindose lo que se denomina "retroceso de llama" o se aleje del mismo, llegando a producirse el "despegue de llama", en cuyo caso la misma se apaga. En la literatura tcnica sobre la llama siempre se mencionan como factores de control operativo sobre la llama las 3 tes de la combustin, pero investigando en este campo hemos encontrado que son siete las tes que influencian este proceso.



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Figura 3.10 Frente de llama, criterio bsico para determinar el equilibrio de las

velocidades.

Las dos primeras emanan de la teora inorgnica y se refieren al Tamao de

partcula y su Trayectoria axial o rotacional al inyectarse desde la boquilla del quemador. Para mantener el equilibrio entre la velocidad de los gases y la propagacin de la

llama resultan de fundamental importancia las tres Te's clsicas de la

combustin, esto es, Tiempo, Turbulencia y Temperatura. La estabilidad del frente de llama permite condiciones iniciales favorables, pero en el desarrollo de la combustin intervienen otros parmetros que determinan condiciones que podran afectar la estabilidad inicial conseguida y

coincidentemente, tambin comienzan con la misma letra: Transferencia de calor

y Transporte de gases. Pero an tenemos ms Tes que influencian la llama y el

proceso de combustin: el Tiro que crea las condiciones de circulacin de gases

y la Tensin (presin) en el interior de la cmara de combustin. Estos tres factores resultan de la mayor importancia para mantener en equilibrio

la reaccin de combustin, y por ende, las caractersticas de la llama.

El Tiempo determina la velocidad con la que se efecta la reaccin y resulta

fuertemente determinado por el Tamao de la partcula de carbn; si se eleva la

Temperatura de la llama, aumentar la velocidad de reaccin y con ella la generacin de calor; asimismo aumentar el volumen de productos de

combustin, incrementndose la Turbulencia en el entorno de la llama, tomando en cuenta que las condiciones de mezcla tambin sern influenciadas por la trayectoria de la partcula de carbn, creada por su propio impulso y/o establecida


Ing

manual practico de combustion industrial

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