técnicas de combustión para la reducción de las emisiones contaminantes
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Calefacción respetuosa con el medioambiente a través de una innovadoratécnica de quemadores
SERIE TECNICATécnicas de combustión parala reducción de las emisionescontaminantes
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2
Composición de los humos de
instalaciones de calefacción
La combustión de los recursos energéti-cos fósiles y las emisiones de sustanciascontaminantes son temas centrales de latécnica de calefacción. Las calderasViessmann destacan, entre otros facto-res, por sus innovadores sistemas decombustión y principios constructivosque garantizan, a través de una eficazreducción de la emisión de sustanciascontaminantes, la protección del medioambiente. El siguiente artículo, más queabrumar al lector con datos científicos,pretende transmitirle conocimientosbásicos sobre la combustión y la reduc-ción de sustancias contaminantes en loshumos.
La combustión
Combustión se denomina a la reacciónquímica de los distintos elementos queconstituyen el combustible con el oxíge-no del aire, originándose un desprendi-miento de calor. Sólo es posible si las materias combusti-bles se encuentran en estado gaseoso yhan alcanzado la temperatura de igni-ción. Al descender la temperatura pordebajo del límite necesario para la reac-ción, la llama se apaga. Tras una com-bustión completa, no quedan gasescombustibles ni compuestos de combus-tible en los humos.
Para la combustión de un litro de gasó-leo o un m3 de gas natural se necesitan,aproximadamente, 11 m3 de aire. En esteproceso se producen aproximadamente20 m3 de humos.Los componentes sustanciales de loshumos son nitrógeno atmosférico, vaporde agua, oxígeno, dióxido de carbono(CO2), así como pequeñas cantidades desustancias contaminantes como dióxidode azufre (SO2), monóxido de carbono(CO), óxidos de nitrógeno (NOx) e hidro-carburos (CxHy) no quemados. Los óxi-dos de nitrógeno y los hidrocarburosson mezclas de gas variables, formadaspor distintas cantidades de diferentescomponentes.
Debido al bajo contenido de carbono, lacombustión de gas natural producemenos emisiones de CO2 que otros com-bustibles fósiles. Sólo una económicatransformación de la energía primaria per-mite reducir la emisión de CO2, ya queésta depende, de forma fija, de las carac-terísticas específicas del combustible.Dado que es imposible conseguir unacombustión completa con el volumen teó-rico de aire mínimo necesario, en la prác-tica, la combustión en el hogar se realizacon un exceso de aire. Sin embargo, estevolumen debería mantenerse bajo, puestodo el aire utilizado en la combustión tie-ne que ser calentado. El exceso de airereduce la temperatura de la llama de losgases de combustión, pero aumenta elvolumen de humos. La baja temperaturade la llama permite, por el contrario, redu-cir la transmisión del calor por radiación alas superficies de calefacción y aumentarla temperatura de los humos.
Una elevada temperatura y un mayorvolumen de humos provocan una mayorpérdida por humos. Para evitar esteefecto, debe ajustarse el contenido deCO2 para que, en la medida de lo posi-ble, se aproxime a CO2max. De esta formase obtiene un alto rendimiento y, en con-secuencia, el mínimo consumo posiblede combustible.
Una combustión con bajo contenido deCO2 es, debido a las altas pérdidas porhumos y el impacto ambiental que éstasproducen, muy poco deseable. El ajuste deun contenido bajo de CO2 provoca un ele-vado consumo de combustible y, en defi-nitiva, una emisión total de CO2 más alta.
La cantidad de CO2 vertida al medioambiente durante el periodo de calefac-ción depende directamente del consumode combustible. La emisión de CO2, portanto, sólo puede reducirse con una con-secuente reducción del consumo decombustible (por ejemplo, modernizan-do la instalación de calefacción). La can-tidad anual de emisión de CO2 se puedecalcular multiplicando la emisión de CO2
específica (CO2espec.) por el consumoanual de combustible (Ca) y el podercalorífico (Hu):
Cantidad de CO2=CO2espec. · Ca · Hu
Dióxido de carbono (CO2)
El dióxido de carbono tiene una altacapacidad de absorción de la radiacióntérmica. El aumento continuo de CO2 enla atmósfera es considerado uno de losfactores que provocan el “efecto inver-nadero”. Por esta razón, la concentra-ción de dióxido de carbono ha ganadoimportancia en la opinión pública. Elvolumen de emisiones de CO2 (kg/kWh)depende del porcentaje de carbono quecontiene el combustible empleado.Mientras que en la hulla la relación entrehidrógeno y carbono es H: C = 0,5: 1, enel gasóleo es ya H: C = 2: 1 e, incluso, larelación en gas natural es H: C = 4:1.
Relación entre hidrógeno y carbono y la for-mación de CO2 de los combustibles fósiles
Carbón
Gasóleo
Gas Natural
coroneno H: C = 0,5: 1
decano H: C = 2: 1
metano H: C = 4: 1
Cuanto mayor sea la proporción
de carbono del combustible, tanto
más alta será la emisión de CO2.
La combustión de gas natural produ-
ce las emisiones más bajas de CO2.
Formación de CO2 en la combustión de
recursos energéticos fósiles
en kg CO2/kWh y tipo de combustible
lignitohulla
fuelgasóleo gas
natural
Unidades de las emisiones de sustancias
contaminantes
Mediante la fórmula (2) para el cálculodel rendimiento anual (ηa), también sepuede determinar, a partir de la cargatérmica anual (Qak), la cantidad de CO2:
Qakηa = –––––––––––Ca • Hu
(2)
En esta fórmula, la carga térmica anualQak y el rendimiento ηa se aplican de lasiguiente forma:
Qak • CO2 especCantidad de CO2 = –––––––––––––––––––ηa
(3)
Una instalación antigua, del año 1975, conuna carga térmica anual deQak = 34000 kWh/a, con un rendimiento deηa = 68% y gasóleo como combustible,emite la siguiente cantidad de humos CO2:
34000 kWh/a • 0,26 kg/kWhCant. de CO2 = –––––––––––––––––––––––––––––––0,68
= 13 t/a.
Una instalación nueva con una calderaViessmann de baja temperatura Vitola100 a gasóleo que proporciona la mismacarga térmica anual con un rendimientoηa = 95% emite, por el contrario, lasiguiente cantidad de humos CO2:
34000 kWh/a • 0,26 kg/kWhCant. de CO2 = –––––––––––––––––––––––––––––––0,95
= 9,3 t/a.
Modernizando la instalación de calefac-ción con calderas Viessmann de baja omuy baja temperatura se aumenta el ren-dimiento y pueden reducirse, hasta en un30%, tanto el consumo de combustiblecomo la emisión de CO2. Con las calderasde condensación Viessmann, el aprove-chamiento adicional del calor latentehace que el rendimiento estacional puedaaumentarse, comparado con una calderade baja temperatura, hasta en un 14%, loque supone una considerable reducciónadicional del consumo de combustible yde emisiones de CO2.
Las diferentes unidades de medidaempleadas en las emisiones de sustanciascontaminantes en equipos de combustiónson, por ejemplo, ppm, mg/m3 y mg/kWh.Las técnicas de medición más avanzadaspermiten determinar, hoy en día, las emi-siones mínimas de sustancias contami-nantes. El principio de medición de NOx,por ejemplo, se basa en la determinacióndel contenido volumétrico de la sustanciacontaminante en los humos. El equipo demedición indica la cantidad real de la sus-tancia contaminante, por ejemplo, en launidad ppm. Esta unidad de medida ppmse refiere al volumen y significa “partespor millón”, es decir, parte volumétrica desustancia contaminante por un millón departes volumétricas de humos.
La unidad de medida mg/m3 toma tambiénel volumen (m3 de humos) como referen-cia, pero el volumen contenido de la sus-tancia contaminante se especifica en mg.
Los contenidos de sustancias contami-nantes medidos no permiten comparardirectamente distintas instalaciones, yaque diferentes tipos de funcionamiento,como aquellos con exceso de aire, modi-fican, debido al enrarecimiento, el conte-nido volumétrico de sustancias contami-nantes. Por esta razón, los valores demedida tienen que convertirse a unida-des de referencia, tales como el conteni-do de referencia de oxígeno. Las emisio-nes de NOx y CO se comparan a menudocon un contenido de referencia del 0%de O2 (“libre de aire”). Con la siguientefórmula puede calcularse la cantidad desustancias contaminantes (ppm medidos):
ppm (libre de aire) =(4)contenido de CO2 máximo––––––––––––––––––––––––––––––––– • ppm medido
contenido de CO2 medido
Todo lo expuesto anteriormentedemuestra que, en la medición de emi-siones siempre se mide también el con-tenido de oxígeno o de CO2 y éste debeconvertirse para la evaluación de losvalores de emisión. El contenido máxi-mo de CO2 para gasóleo es 15,4% y paragas natural 12%. Si se mide el contenido de O2, la siguien-te ecuación permite la conversión de losvalores:
ppm (libre de aire) =(5)
21–––––––––––––––––––––––––––––––––––– • ppm medido21 - contenido de CO2 medido
Unidades de relación con la energía
La medición de emisiones de sustanciascontaminantes con una unidad de medi-da de referencia a la energía (p.ej.mg/kWh), no toma como referencia elvolumen de humos, sino la capacidadtérmica del combustible. Para indicar lacantidad de sustancias contaminantes enla unidad de medida de referencia a laenergía mg/kWh tienen que realizarsecálculos con datos específicos del com-bustible. Por este motivo, se obtienenfactores de conversión diferentes paragasóleo y gas natural.
1
2
3
4
5
6
3,4
3
6
9
12
15
18
Co
nsu
mo
de
co
mb
usti
ble
en
1/a
ño
x 1
00
0
Em
isio
ne
s d
e C
o
en
to
ne
lad
as/a
ño
2
1996caldera convencionalde baja temperatura,22 kW
1996ViessmannVitola-biferral22 kW
197522 kW
Calor útil Perdidas Emisión de CO 2
2,4
13 0,50,3
10,1
9,4
Reducción del consumo de com-
bustible y de la emisión de CO2 de
calderas con quemador presurizado
a gasóleo
Significado del contenido de CO2
de los humos en unidades y facto-
res de cálculo de las emisiones de
sustancias contaminantes
3
4
Factores de conversión de las
emisiones de sustancias contaminantes
Las unidades ppm y mg/m3 puedenfácilmente convertirse a mg/kWh con laayuda de la tabla 1. Sin embargo, elvalor de emisiones medido (p.ej. en launidad ppm) tiene que convertirse ante-riormente en el contenido de referenciade 0% de O2 (“libre de aire”). Si se com-paran los valores de emisión en la uni-dad mg/kWh, el valor medido de CO2 oel contenido restante de oxígeno ya notienen que tenerse en cuenta, lo quesupone una ventaja considerable de lasindicaciones de emisiones en la unidadmg/kWh. El siguiente ejemplo de cálculode cantidades de emisión en una instala-ción antigua y una instalación nueva conuna caldera Viessmann de baja tempera-tura muestra la conversión de ppm amg/kWh (para los datos del ejemplo véa-se la tabla 2). El resultado muestra lasventajas de una combustión cuyos valo-res de humos presentan un alto contenidode CO2 y una reducida emisión de NOx:Conversión de los valores medidos de NOx
en ppm (libre de aire) según la fórmula (4):
15,4%NOx (libre de aire) instalación antigua=–––––––– • 63 ppm11%
= 88 ppm(libre de aire)
15,4%NOx (libre de aire) instalación nueva=–––––––– • 34 ppm14%
= 38 ppm(libre de aire)
Aunque en la instalación nueva se hayamedido un valor menor de NOx, la con-versión al contenido de referencia de 0%de O2 (“libre de aire”) muestra definitiva-mente la diferencia real existente entrelas emisiones de NOx de la instalaciónantigua y la nueva.
La conversión de los valores de NOx
medidos en mg/kWh según la tabla 1 dacomo resultado las siguientes emisionesde NOx:
NOx instalación antigua = 88 ppm · 1,76 mg/(kWh • ppm)
= 155 mg/kWh
NOx instalación nueva = 38 ppm · 1,76 mg/(kWh • ppm)
= 67 mg/kWh
El cálculo del volumen de emisionesanuales de NOx se calcula, al igual que elCO2, según la fórmula (3):
Gasoleo
CO 1 ppm = 1,08 mg/kWh 1 mg/kWh = 0,93 ppm1 mg/m3 = 0,86 mg/kWh 1 mg/kWh = 1,16 ppm
NOx 1 ppm = 1,76 mg/kWh 1 mg/kWh = 0,57 ppm
1 mg/m3 = 0,86 mg/kWh 1 mg/kWh = 1,16 ppm
Gas natural
CO 1 ppm = 1,07 mg/kWh 1 mg/kWh = 0,93 ppm1 mg/m3 = 0,86 mg/kWh 1 mg/kWh = 1,16 ppm
NOx 1 ppm = 1,76 mg/kWh 1 mg/kWh = 0,57 ppm
1 mg/m3 = 0,86 mg/kWh 1 mg/kWh = 1,16 ppm
Antes de la conversión de ppm o mg/m3 a mg/kWh, los valores de emisión en
ppm o mg/m3 tienen que convertirse al contenido de oxígeno de referencia de 0%
Tabla 1:
Factores de conversión para unidades con referencia a la energía
Tabla 2:
Datos para el ejemplo de cálculo
Instalación Instalación
antigua (1975) nueva (1999)
Rendimiento estacional anual (%) 68 95Valor de NOx medido (ppm) 63 34Contenido de CO2 (%) 11 14Carga térmica anual (kWh/a) 34 000 34 000Combustible Gasoleo Gasoleo
NOx instalación antigua =34000 kWh/a • 155 mg/kWh • 10-6 kg/mg––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
0,68= 7,7 kg/a.
NOx instalación nueva =34000 kWh/a • 67 mg/kWh • 10-6 kg/mg–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
0,95= < 2,4 kg/a.
Valores límite de emisión en
normativas, directrices y reglamentos
Los resultados obtenidos demuestranque, al modernizar una instalación decalefacción, la cantidad anual de emisio-nes de NOx se reduce más del 70%.
Valores límite de emisión en normativas,
directrices y reglamentos
Los valores límite de emisión están fija-dos como medidas de evaluación ennormativas, directrices y reglamentos.De esta forma se creó, por ejemplo, eldistintivo ecológico “Ángel Azul”, quecertifica los productos que respetan elmedio ambiente.Los distintivos “Ángel Azul” formulanlos requisitos mínimos para los valoresde rendimiento estacional y establecenlos valores límite para pérdidas de dis-ponibilidad y emisiones contaminantesde NOx y CO.
Para poder comparar los valores límiteque figuran en la tabla 3, los valoresestablecidos en las respectivas normas(resaltados en cursiva y negrita) hansido convertidos a las unidades demedida correspondientes.
Dióxido de azufre (SO2)
El dióxido de azufre (SO2) se origina enla combustión de combustibles sulfúre-os, como el carbón o el gasóleo, por laoxidación del azufre contenido en elcombustible. La reacción producida conel vapor de agua formado durante lacombustión genera un agresivo ácidoque, tras alcanzar la atmósfera, es consi-derado como uno de los factores cau-santes de la “lluvia ácida”. Sólo unareducción del contenido de azufre delcombustible y del consumo de éste pue-de disminuir la emisión de dióxido deazufre (SO2).
Normativa NOx CO
mg/kWh ppm mg/m3 mg/kWh ppm mg/m3
0% O2 3% O2 0% O2 3% O2
Reglamento de equipos decombustión pequeños (1. BlmSchV)Gasóleo válido para instalaciones 120 68 120 — — —
Gas válido para instalaciones 80 45 80 — — —
DIN 4702, parte 1ª (edición 03.90)Calderas de calefacción con quemadorde pulverización de gasóleo o con que-mador presurizado a gas. Válido paracalderas hasta 2 MWGasoleo 260 148 260 110 102 1102ª categoría de gas (gas natural) < 350 kW 150 85 150 100 93 100
> 350 kW 200 114 200 100 93 1003ª categoría de gas (gases líquidos) 300 179 315 120 118 126
DIN 4702, parte 3ª (edición 03.90)Calderas especiales a gas con quemadoratmosférico, válido para calderas hasta 2 MWG 20 (corresponde aprox. a gas natural) 200 114 200 100 93 100G 30 (corresponde aprox. a gas líquido butano) 300 179 315 150 147 158
DIN 4702, parte 6ª (edición 03.90)Calderas de condensación para combustibles gaseosos,válido para calderas hasta 2 MWG 20 (corresponde aprox. a gas natural) 200 114 200 100 93 100G 30 (corresponde aprox. a gas líquido butano) 300 179 315 150 147 158
Distintivo ecológico Ángel AzulRAL-UZ 46 Unit-gasóleoválido para quemadores Unit hasta 120 kW 110 63 110 60 56 60RAL-UZ 9 quemadores de pulverización a gasóleoválido para 10 kg/h (120 kW) 120 69 120 60 56 60RAL-UZ 40 calentadores de agua mixtos yde sólo calefacción para combustibles gaseosos 60 34 60 60 56 60RAL-UZ 39 calderas de calefacción especiales(atmosféricas), válido hasta 120 kW 70 40 70 60 56 60RAL-UZ 41 Unit-gas con quemadores presurizados,válido para quemadores Unit hasta 120 kW 70 40 70 60 56 60RAL-UZ 61 calderas de condensación a gas,válido hasta 120 kW 60 34 60 50 47 50RAL-UZ 80 quemadores de gas presurizados,válido hasta 120 kW 70 40 70 60 56 60
Valores del programa de subvenciones de HamburgoInstalaciones de condensación a gas 20 11 20 15 14 15Instalaciones a gasóleo 80 46 80 30 28 30
Decreto suizo sobre la pureza del aire (LVR 92)Gasóleo, combustión con quemador presurizado 120 68 120 80 74 80Gas, combustión con quemador presurizado 80 45 80 100 93 100Gas, combustión con quemador atmosférico
potencia ≤ 12 kW 120 68 120 100 93 100potencia > 12 kW 80 45 80 100 93 100
Tabla 3:
Resumen de los valores límite de emisión de NOx y CO
Ahorrar combustible y reducir sustan-
cias contaminantes modernizando la
instalación con una Vitola 100
5
6
Los principios de la formación de
sustancias contaminantes
¿Qué sustancias contaminantes se pro-
ducen en la combustión?
En todo proceso de combustión de com-bustibles fósiles se producen, ademásdel inevitable dióxido de carbono (CO2),monóxido de carbono y óxidos de nitró-geno, ambas sustancias contaminantes.Los óxidos de nitrógeno, tienen unaespecial importancia, dado que unaumento de la concentración de NOx dalugar a una mayor formación de ozonocontaminante y provoca la “lluvia ácida”.
Monóxido de carbono (CO)
El monóxido de carbono (CO) se produ-ce debido a una combustión incompletapor falta de aire, una mala mezcla entreaire y combustible o una cámara decombustión de tamaño insuficiente.A menudo el mal ajuste del quemador ouna sala de calderas sin la ventilaciónnecesaria provocan una elevada emisiónde monóxido de carbono (CO). Para quelos gases de combustión puedan serquemados completamente, las calderasespeciales a gas Viessmann con quema-dores atmosféricos tienen, por ejemplo,unas grandes cámaras de combustión.Sin embargo, los valores de CO desem-peñan un importante papel en la reduc-ción de óxidos de nitrógeno. Las medi-das de reducción de CO tienen, normal-mente, el aumento de los valores de NOx
como resultado.
Pero las calderas Viessmann destacanpor sus emisiones muy bajas de NOx ainvariables valores bajos de CO.
Óxidos de nitrógeno (NOx)
El grupo de sustancias de los óxidos denitrógeno comprende compuestos quími-cos formados por nitrógeno (N) y oxíge-no (O). Se sintetizan en la fórmula NOx ycomprenden, básicamente, los compues-tos esenciales monóxido de nitrógeno(NO) y dióxido de nitrógeno (NO2).Durante el proceso de combustión, ini-cialmente se forma NO y sólo una peque-ña parte de éste (< 10 Vol. %) se transfor-
ma en NO2 dentro de la caldera. La parterestante de NO se oxida en la atmósfera,convirtiéndose en NO2, y provoca la for-mación de ácido nítrico que a su vez cau-sa la destrucción de los bosques.
Mecanismos de formación de NOx
Los óxidos de nitrógeno se forman pordistintos mecanismos, dependiendo delas condiciones de la combustión, talescomo temperatura, concentración, tiempode permanencia en la zona de reacción ycalidad del combustible. Los compuestosorgánicos de nitrógeno del combustible yel nitrógeno molecular (N2) atmosféricode combustión constituyen las fuentes denitrógeno. Si además de la fuente denitrógeno se distingue también por ellugar de formación de los óxidos de car-bono (frente de llama, zona de reacciónposterior), se obtienen tres vías de reac-ción, a partir de las cuales se forma NO:
– La formación térmica de NO, a partirdel nitrógeno atmosférico, debida aaltas temperaturas de la zona de reac-ción posterior
– La formación espontánea de NO, debi-da a la reacción del nitrógeno atmos-férico con hidrocarburos en el frentede llama
– La formación del combustible de NO,debida a la reacción del nitrógeno delcombustible también con hidrocarbu-ros en el frente de llama.
NOx térmico
La formación térmica de NOx es la vía deformación más importante, tanto en lacombustión de gas como en la de gasó-leo. Esta vía puede, en condiciones des-favorables de conducción de la combus-tión, llegar a producir concentracionesmuy altas de NO.Durante este proceso, el NO se formamediante una reacción del nitrógenomolecular o el óxido del aire de combus-tión y los productos secundarios de lacombustión O u OH, en las siguientesreacciones:
N2+ O = NO + N (1) N + O2 = NO + O (2)N + OH = NO + H (3)
La reacción (1) determina la velocidad deformación de NO, dado que en este pun-to del proceso necesita generarse unalto volumen de energía y, por tanto,una alta temperatura de combustión quepermita desdoblar el nitrógeno atmosfé-rico (N2).
El gráfico de la página 7 (sup.), en el quefigura la concentración de equilibrio deNO en función de la temperatura y la can-tidad de aire a gas y gasóleo, clarifica lainfluencia determinante de la temperaturaen el coeficiente de formación de NO. Laconcentración de NO aumenta en unacurva exponencial junto con la tempera-tura y alcanza, en caso de combustiónadiabática (sin disipación de calor), valo-res máximos de entre 3000 y 4000 ppmcon temperaturas superiores a 1900 ºC.Si bien no se presentan condiciones decombustión adiabáticas en los sistemasde combustión reales, las temperaturasalcanzan valores superiores a 1600 ºC quesiguen permitiendo la formación deimportantes cantidades de NO. Sólo contemperaturas inferiores a 1300ºC se redu-ce considerablemente la concentraciónde NO, permitiendo una notable reduc-ción de NO.
Mecanismos de formación de los óxidos de nitrógeno
NOx del
combustible
NOx
espontáneoNOx
térmico
Mecanismos de formación de NOx
El principal objetivo de la técnica decombustión tiene que ser la disminuciónde las temperaturas de llama por debajode 1300ºC, para realizar una combustiónde reducido contenido de NOx.
Además de la temperatura, la producciónde NO se ve influida por la presión par-cial del oxígeno y el tiempo de perma-nencia de los agentes de reacción impor-tantes para la formación de NO.El exceso de oxígeno favorece inicial-mente la formación de NO. Pero dadoque el aire de combustión se componeen un 79% de nitrógeno, predomina elefecto refrigerante del exceso de aire enfunción del aumento de la cantidad deéste, y la producción térmica de NO vuel-ve a disminuir. El gráfico de la parte infe-rior derecha clarifica este contexto, mos-trando la concentración de NO en fun-ción de la cantidad de aire y el tiempo depermanencia. El tiempo de permanenciade los agentes de reacción en el caso detemperaturas altas determina considera-blemente la producción de NO. El gráficomuestra que la producción térmica deNO puede reducirse considerablementereduciendo el tiempo de permanencia.
NO espontáneo
NO espontáneo se denomina al NO pro-ducido en la zona de reacción principal(frente de llama), por la combinación conradicales de hidrocarburos. Para estareacción se necesita mucho menos calorque en la reacción inicial del NO térmico,según muestra la ecuación (1). Por ello,es capaz de dividir el nitrógeno molecularincluso en zonas de temperaturas reduci-das. Una concentración alta de radicalesde hidrocarburos es determinante para laproducción de NO espontáneo.Por todo ello, la combustión de gasóleotiene, principalmente, un mayor poten-cial de formación de NO espontáneo quela combustión de gas natural.
NO del combustible
El nitrógeno ligado al combustible contri-buye como tercera fuente a la producciónde NO en las llamas. Principalmente los
combustibles fósiles, sólidos o líquidos,como el carbón o el gasóleo, contienennitrógeno orgánico. El contenido de nitró-geno del gasóleo se sitúa, según el paísde origen, entre 80 y 300 mg/kg.La formación de NO sigue, con tempera-turas de aprox. 1000ºC, un esquema dereacción muy complejo. El nitrógeno quecontiene el gas natural no está ligadoorgánicamente y, por tanto, no contribuyea la producción de NO del combustible.
Medidas eficaces para la reducción de NOx
Sobre la base de un análisis exhaustivode los valores de influencia en la forma-ción de NO durante la combustión, sepueden deducir importantes conclusio-nes acerca de las medidas más eficacespara la reducción de NO. El mayorpotencial de reducción de NO lo propor-cionan aquellas medidas que bloqueanla vía de formación térmica de NO:
0
1000
2000
3000
4000
Temperatura de gases quemados
Pa
rte
de
l co
nte
nid
o d
e N
O e
n e
qu
ilib
rio
qu
ímic
o,
en
pp
m
Gasoleo
Gas natutal
adiabático
1,20
1,10
1,05
1,0
0,95
0,90
0,80
λ = 1,40ν
900 C 1300 C 1700 C 2100 C
Gasóleo/llama al aire Gas natural/llama al aire
0
500
1000
1500
0
200
400
600
0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3
t = 200 mst = 200 ms
100
50
100
50
Co
nce
ntr
ació
n d
e N
O e
n p
pm
Coeficiente de aire Coeficiente de aire
q = 0 q = 0
Concentración de NO en equilibrio químico en función de temperatura y
coeficiente de aire
Concentración de NO en función del coeficiente de aire y el tiempo de permanencia
para una llama adiabática de gas natural/aire y una llama adiabática de gasóleo/aire
7
8
Medidas para la reducción de Óxidos de
Nitrógeno (NOx)
● La reducción de la temperatura de
combustión por refrigeración externa de
la llama
La refrigeración externa de la llama sebasa en el principio de extracción directade calor de la zona de reacción para evi-tar la formación térmica de NO. La formamás eficaz de reducirlo es a través de lareducción de calor.
● La reducción de la temperatura y de la
presión parcial del O2 por refrigeración
interna de la llama
La refrigeración interna de la llama tienecomo efecto la reducción de la forma-ción tanto térmica como espontánea deNO y se puede realizar a través de unarecirculación forzada de los gases que-mados y refrigerados. La recirculaciónde los gases de combustión tiene comoconsecuencia, además de la reducciónde temperatura, una disminución de lapresión parcial del oxígeno.
● Recorte del tiempo de permanencia
de los agentes de reacción en altos nive-
les de temperatura
El recorte del tiempo de permanenciaevita el establecimiento del equilibrioquímico del NO térmico de elevada con-centración. Cortos tiempos de permanen-cia de los agentes de reacción en zonasde temperaturas superiores a 1300ºCpueden lograrse con una menor distanciade consumición de la llama y un diseñoóptimo de la cámara de combustión congrandes superficies de refrigeración, asícomo el empleo de tres pasos de humossin inversión de llama en el hogar.
● Empleo de catalizadores
El empleo de catalizadores ofrece la posi-bilidad de evitar, casi por completo, lasformaciones térmica y espontánea de NO.Un catalizador que se emplea no como eshabitual, para el tratamiento posterior delos humos, sino en el área de creación dela llama, puede influir, a través de su efec-to activador, en el proceso de combus-tión, de forma que en la fase de gasifica-ción se eviten factores que favorezcan laformación de NO, como altas temperatu-ras o altas concentraciones de CH.
Las distintas vías de reducción de NOx
en gas natural y gasóleo
En la combustión de gasóleo y gas natu-ral deben seleccionarse diferentes víaspara la reducción de NOx. Las razones deello son consecuencia de las diferentespropiedades químicas y físicas de loscomponentes de los dos combustibles.Según las diferencias que figuran en latabla y, especialmente en lo referido a latemperatura de llama adiabática, laextracción de calor de la zona de reac-ción por refrigeración de la llama exter-na es menos eficaz en el caso de gasó-leo que en el de gas natural.
La extracción de calor de una llama degasóleo para una reducción adicional deNOx es limitada, dado que localmentelas temperaturas descienden rápidamen-te por debajo del límite crítico de 900ºCpara la formación de CO. Una promete-dora vía para la reducción de la forma-ción de nitrógeno en la combustión, laofrece la refrigeración interna de la lla-ma, ya que la recirculación de los gasesde combustión influye simultáneamentesobre la temperatura y sobre la presiónparcial del oxígeno.
Los diagramas muestran, con los resul-tados obtenidos, la influencia del coefi-ciente de recirculación de los gases decombustión sobre la formación térmicade NO. Según esto, la producción tér-mica de NO puede suprimirse, casi porcompleto, mediante los correspondien-tes coeficientes elevados. Partiendo deestas reflexiones y cálculos que abar-
can las posibilidades existentes dereducción de NOx, Viessmann ha des-arrollado el quemador de radiaciónMatriX para la combustión de gas, queextrae de forma eficaz el calor porradiación y el quemador RotriX-EV agasóleo que se basa en el principio dela refrigeración interna de la llama através de la recirculación de los gasesde combustión.
0
20
40
60
100
50
t = 200 ms
Co
nce
ntr
ació
n d
e N
O,
χ
, e
n p
pm
N
O
t = 200 ms
0
80
160
240
100
50
Co
nce
ntr
ació
n d
e N
O,
χ
, e
n p
pm
N
O
Proporción másica de humos en el aire
de combustiónWR
0 5 % 10 % 15 %
LLama gas natural/aire
po = 1 bar; To = 300 K
λν = 1,0; q = 0,10
LLama de gasóleo/aire
po = 1 bar; To = 300 K
λν = 1,0; q = 0,10
Gasoleo Gas Natural
Temperatura de encendido aprox. 230ºC aprox. 640ºC
Estado físico en condiciones líquido gaseosoambientales
Punto de ebullición 180 a 400ºC -162ºC
Temperatura de llama adiabática 2050ºC 1950ºC
Relación C: H 5,7:1 3,0:1
Nitrógeno ligado al combustible 80 a 300 mg/kg < 5 mg/kg
Comparativa de las propiedades físico-químicas del gas natural y del gasóleo
Influencia del coeficiente de recirculación
de humos sobre la formación de NO
Quemador de radiación MatriX –
la combustión de gas menos
contaminante
Quemador de radiación MatriX y quema-
dor catalítico MatriX
El quemador MatriX se ha convertido enel modelo de referencia de la combus-tión más ecológica. En 1994 ha sidogalardonado con el premio alemán(BDI ‘94) y con el europeo (EBEAFI ’94) ala protección del medio ambiente, pues,en lo relativo a las emisiones de sustan-cias contaminantes, queda muy pordebajo de los más estrictos valores lími-te mundiales. Para conseguir una com-bustión de gas natural casi libre de sus-tancias contaminantes se realizó, duran-te una fase de desarrollo adicional, lacombustión apoyada por efecto cataliza-dor con el quemador catalítico MatriX.
Quemador de radiación MatriX: galardo-
nado con el premio alemán (BDI ‘94) y
europeo (EBEAFI ’94) a la protección del
medio ambiente
Principio de funcionamiento
El concepto del quemador de radiaciónMatriX se basa en el principio de uncuerpo de llama refrigerado por unaintensa radiación de calor que consisteen una tela metálica de acero fino. Trasel encendido, la llama se extiende portoda la superficie de la tela metálica y lacalienta a una temperatura de 900ºC.Con la transmisión del calor por radia-ción a las paredes de la cámara de com-bustión, la tela metálica caliente transmi-te el calor de forma muy eficiente, per-mitiendo que se enfríe intensamente lallama. Los cálculos realizados demues-tran que el quemador de radiaciónMatriX, en el funcionamiento a tempera-turas entre 750ºC y 900ºC, alcanza unaextracción de calor por radiación entre11 y 25%. Según el diagrama de la partesuperior, la formación térmica de NOdisminuye casi hasta un nivel 0 y, enconsecuencia, en el balance global deNO sólo resta una parte muy pequeñade NO espontáneo.
El retroceso de la llama se evita graciasa que el ancho de malla de la tela metáli-ca de acero fino utilizada como superfi-cie de combustión esté situada muy pordebajo de la distancia de apagado de lla-ma “Quench-Distance” citado en los tex-tos especializados. La construcción com-pacta de las calderas de calefacción sedebe a que la combustión requiere unamínima distancia de quemado y que serealiza casi sin llama.
Otra ventaja del quemador de radiaciónMatriX es que, al calentarse, el hemisfe-rio de tela metálica se puede expandirlibre de tensión y, por esta razón alcanzauna larga vida útil.
En el quemador de gas compactoMatriX, la seguridad de funcionamientose eleva adicionalmente con el enfria-miento intenso por aire de la base delquemador, a través del ventilador inte-grado. La eficaz refrigeración facilita lainstalación, directamente en el quema-dor, de componentes adicionales en unespacio muy reducido.
Con la premezcla homogénea de airecon factores de exceso de aire de λ = 1,1hasta 1,3, la combustión segura de gasnatural es factible sin variar el ajuste delquemador.
Extracción relativa de calor
Em
isió
n e
sp
ecíf
ica
de
NO
en
m
g/k
Wh
0
5
10
15
10 % 15 % 20 % 25 % 30 %
0,9
1,2
1,1
λν = 1,0
Llama gas natural/aire
Tiempo de contactoen la zona posteriorde llama t= 200 ms
superficie de reacciónmalla de distribución
ventilador
hemiferio dedosificación
gas
aire
Estructura del quemador de radiación
MatriX
Formación térmica de NO en función de
la extracción de calor relativo y del
factor de exceso de aire
El quemador a gas compacto MatriX:
el perfeccionamiento del acreditado
quemador de radiación MatriX, para
máximo rendimiento en mínimo espacio
9
10
Quemador catalítico MatriX: combustión
reforzada por efecto catalizador para
minimizar las sustancias contaminantes
Evitar el NOx con una combustión refor-
zada por efecto catalizador
El objetivo del empleo de un catalizadores evitar la formación de sustancias con-taminantes. El catalizador del quemadorcatalítico MatriX se distingue claramentede los catalizadores de los automóvilestanto en lo referido al objetivo delempleo como en el modo de funciona-miento, aunque los dos tienen el objeti-vo final de reducir las emisiones de sus-tancias contaminantes. Mientras que loscatalizadores de los automóviles actúancomo medida secundaria en la zona decirculación de los humos y persiguenuna reducción de óxidos de nitrógeno yaproducidos, la combustión apoyada porcatalizador evita la formación de óxidosde nitrógeno desde el principio. El catali-zador del quemador catalítico MatriX seemplea como medida primaria y evitala formación inicial de NOx.
Funcionamiento de la tela metálica con
recubrimiento catalítico
Un catalizador puede, a través de suefecto activador, intervenir en el procesode reacción durante la combustión demodo que factores que favorecen la for-mación de NOx, como altas temperaturaso concentraciones altas de CH en la fasegaseosa, se evitan desde el principio.El diagrama siguiente muestra cómo elcatalizador reduce la energía de activa-ción necesaria para la reacción de formaque la reacción correspondiente puederealizarse con bajas temperaturas y auna respectiva mayor velocidad.El catalizador no se consume duranteeste proceso, ya que simplemente actúacomo “mediador” de la reacción.
El quemador MatriX permite realizar unacombustión apoyada por catalizador deforma muy sencilla. Sólo requiere recu-brir la tela metálica de acero fino conuna capa catalítica.
De esta manera, el catalizador mejora elproceso de combustión, permitiendo lareacción de la mayor parte del combusti-ble en su superficie a una baja tempera-tura. La parte restante del combustiblereacciona posteriormente en la fasegaseosa, pues la combustión, a pesardel catalizador, se realiza a una tempera-tura de ignición superior a la del gas decombustión.
Este recubrimiento se compone de unmaterial de base, que sirve comoampliación de la superficie, al que seaplica el metal precioso paladio comocomponente catalítico activo. La composición de gas/aire, completa-mente premezclada, fluye a través de lared metálica y se enciende en la superfi-cie de ésta. Mediante el calor liberado,el catalizador alcanza en pocos segundossu temperatura de trabajo y se activa.
800
900
1000
1100
1200
1300
1400
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
Tem
pera
tura
( C
)
Separación de la tela metálica (mm)
sin recubrimiento
con recubrimiento cat.
∆T ≅ 300 k
Coordenada de reacción
En
erg
ía d
e a
cti
va
ció
n
reacción no catalítica
reacción catalítica
E1
E2
Efecto activador del catalizador
Comparación de perfiles de temperatura por encima de una tela metálica con y sin
recubrimiento catalítico
Compuesto de gas/aire
Humos
Tela metálica matriX con
recubrimiento catalítico
Zona de llama
1
2véase
Zona de llama
Tela metálica
Capa
catalítica
porosa
2
3véase
Poros
Portador de
catalizador
Catalizador
3
4véase
Portador de
catalizador
(óxido de aluminio)
Compuestode gas/aire
Humos
Catalizador(Paladio)
4
véase 1
La tela metálica MatriX de acero
fino del quemador catalítico se
recubre con una capa catalítica.
Esta capa se compone de un
material de estructura porosa
(óxido de aluminio) que sirve
como ampliación de la superficie.
Esta capa de soporte puede conce-
birse como una esponja cuyos
poros están realmente recubiertos
por el catalizador (paladio).
El compuesto de gas/aire, comple-
tamente premezclado, fluye a tra-
vés de la red metálica y se encien-
de en la superficie de ésta. Con el
calor liberado, el catalizador alcan-
za en segundos su temperatura de
trabajo y se activa. El catalizador
favorece el proceso de combus-
tión permitiendo, en su superficie,
la reacción, a baja temperatura, de
la mayor parte del combustible,
que se difunde por los poros del
material de soporte.
El compuesto de gas/aire se “que-
ma” en una reacción química
superficial, convirtiéndose en
humo (dióxido de carbono: CO2 y
agua: H2O), sin que se produzca
NO térmico ni espontáneo. El
catalizador no se consume duran-
te este proceso, ya que simple-
mente actúa como acelerador de
la reacción.
La parte restante del combustible
se quema en la zona de llama, al
igual que en el quemador de
radiación MatriX “normal”.
Además, el catalizador provoca un
considerable aumento de la tem-
peratura de la tela metálica y una
mayor radiación de calor. Con ello,
la temperatura de la zona de llama
desciende por debajo de 1000ºC
evitando, casi por completo, la for-
mación de NOx térmico.
11
12
Reacción de transformación del combus-
tible en el catalizador y formación de NO
espontáneo
En lo relativo a la formación de NOespontáneo, la reacción del combustibleen el catalizador y la resultante concen-tración de CH en la fase gaseosa sonespecialmente importantes, puesto quealtas concentraciones de CH tambiénprovocan una elevada formación de NOen zonas de bajas temperaturas.En la combustión activada por cataliza-dor, la elevada capacidad de reacción delcombustible en el catalizador tiene comoconsecuencia la reducción de la concen-tración de CH, determinante en la forma-ción de NO espontaneo en la fase gaseo-sa. La baja concentración de CH en lafase gaseosa permite que, en el caso dela combustión activada por catalizador,también se evite, casi por completo, laformación de NO espontáneo.
VITODENS 300
Caldera mural de condensación a gas,de 8 a 24 kWdistintivo de calidad DVGWVitodens 300 Kat, de 8 a 15 kW
Muy económica en el consumo energéticoy la recuperación de calor adicional a tra-vés de la condensación de los gases decombustión. Emisión de sustancias conta-minantes extremadamente baja, gracias alquemador modulante de radiación MatriX.
Superficie de intercambio térmico
Superficies de intercambio térmico Inox-Crossal de acero inoxidable fino,dispuestas verticalmente para lograr elmáximo aprovechamiento de la energía,una alta seguridad de funcionamiento yuna larga vida útil.
Medio ambiente/emisiones
Quemador modulante de radiaciónMatriX: NOx: 9 mg/kWh, CO: 15 mg/kWhsegún DIN (de 8 a 18 kWh). Cumplesobradamente los valores exigidos parala concesión del distintivo ecológico“Ángel Azul”, el decreto suizo sobre lapureza del aire y los más estrictos requisi-tos mundiales del programa de subven-ciones de Hamburgo.Con el quemador catalítico MatriX(Vitodens 300 de 15 kW) los valores denitrógeno son incluso menores que losvalores de tolerancia de las normas DIN.
Rendimiento estacional de hasta un108%, en función de la temperatura delsistema de calefacción.
Las ventajas del quemador catalítico
MatriX, en resumen:
● Se basa en la certificada construccióndel quemador de radiación MatriX.
● Minimiza consecuentemente las sus-tancias contaminantes: los valores denitrógeno son incluso menores que losvalores de tolerancia de las normas DIN.De esta forma, los valores están muypor debajo de los límites establecidospor el distintivo “Ángel Azul, el decretosuizo sobre la pureza del aire y los másestrictos requisitos mundiales del pro-grama de subvenciones de Hamburgo.
● La temperatura de la llama desciende,gracias al recubrimiento catalítico, y evi-ta casi por completo la formación térmi-ca de óxidos de nitrógeno.
● Al contrario que los métodos de trata-miento posterior de los humos (como enlos catalizadores de automóviles), el pro-ceso catalítico se inicia antes o durantela combustión.
● Alta seguridad de funcionamiento ylarga vida útil, gracias a la reducida car-ga térmica y mecánica.
CO
(m
g/k
Wh
)
0
5
10
15
20
25
0
5
10
15
20
25
1 1,1 1,2 1,3 1,5 1,6 1,7 1,81,4
Factor de exceso de aire
NO
(m
g/k
Wh
)x
Serie de ensayos con una carga superficial de 20 W/cm 2
NO sin recubrimientox
NO con recubrimientox
CO con/sin recubrimiento
Comparación de las emisiones de sustancias contaminantes en función del factor de
exceso de aire
Vitodens 300: la potencia de un grande
en formato mínimo
Calderas Viessmann con quemador
de gas MatriX
VITODENS 200
Caldera mural de condensación a gas,de 8 a 60 kWdistintivo de calidad DVGW
Aprovechamiento consecuente de laenergía gracias a la innovadora técnicade quemadores incorporada en el que-mador compacto modulante a gasMatriX y la especial superficie de inter-cambio térmico Inox-Radial.
Superficie de intercambio térmico
La superficie compacta de intercambiotérmico Inox-Radial de acero inoxidablefino, fabricada según el principio lami-nar de transmisión de calor, garantizauna alta seguridad de funcionamiento yuna larga vida útil. Efecto de autolimpie-za a través de la superficie lisa de acerofino y la misma dirección de flujo de losgases de combustión y los condensados.
Medio ambiente/emisiones
Quemador compacto modulante MatriX:NOx: 16 mg/kWh, CO: 6 mg/kWh segúnDIN (de 6 a 24 kWh). En toda la gama depotencias hasta 60 kW se cumplensobradamente los valores exigidos parala concesión del distintivo ecológico“Ángel Azul” y los más estrictos requisi-tos mundiales del programa de subven-ciones de Hamburgo.
Rendimiento estacional de hasta un108%, en función de la temperatura delsistema de calefacción.
VITOGAS 300
Caldera de baja temperatura a gas,de 11 a 29 kWdistintivo de calidad DVGW
Con superficie de intercambio térmicoTempcon autorregulable y quemadorde radiación MatriX, dos hitos de latécnica de calefacción, que garantizanuna alta seguridad de funcionamiento,un máximo rendimiento estacional ymínimas emisiones de sustancias con-taminantes.
Superficie de intercambio térmico
La superficie de intercambio térmicoTempcon, fabricada en hierro fundido,acero y “Silumin”, con dosificación diná-mica del paso de calor, constituye el per-feccionamiento de la superficie biferral,certificada en innumerables ocasiones.
Medio ambiente/emisiones
Quemador de radiación MatriX paragarantizar emisiones de sustancias con-taminantes extremadamente bajas: NOx:18 mg/kWh, CO: 5 mg/kWh (según DIN).Cumple sobradamente los valores exigi-dos para la concesión del distintivo eco-lógico “Ángel Azul”, el decreto suizosobre la pureza del aire y los más estric-tos requisitos mundiales del programade subvenciones de Hamburgo.
Rendimiento estacional 94%.
VITOCROSSAL 300
Caldera de condensación a gas,de 8,4 a 65 kWdistintivo de calidad DVGW
Gracias a la superficie de intercambiotérmico Inox-Crossal de acero inoxidablefino, que adicionalmente recupera elcalor de los gases quemados, el quema-dor de radiación MatriX, premiado enmúltiples ocasiones o la regulación digi-tal Vitotronic, la Vitocrossal 300 cumpletodos los deseos: fiable, económica, res-petuosa con el medio ambiente, confor-table.
Superficie de intercambio térmico
Superficies de intercambio térmico Inox-Crossal de acero inoxidable fino, dis-puestos verticalmente para una intensacondensación de los gases quemados.
Medio ambiente/emisiones
Quemador de radiación MatriX paraunas emisiones de sustancias contami-nantes extremadamente bajas: NOx: 15mg/kWh, CO: 15 mg/kWh (según DIN).Cumple sobradamente los valores exigi-dos para la concesión del distintivo eco-lógico “Ángel Azul”, el decreto suizosobre la pureza del aire y los más estric-tos requisitos mundiales del programade subvenciones de Hamburgo.
Rendimiento estacional de hasta un108%, en función de la temperatura delsistema de calefacción.
Vitodens 200: máxima potencia en el
mínimo espacio
Vitocrossal 300: tecnología puntera que
marca pautas
Vitogas 300: nuestro producto estrella
en las calderas atmosféricas a gas
13
14
Quemador RotriX-EV: combustión
a gasóleo de reducidas sustancias
contaminantes
Quemador RotriX-EV: un quemador de
nueva generación
Con el desarrollo del quemador RotriX-EV, Viessmann ha logrado reducir drásti-camente las emisiones de nitrógeno enla combustión a gasóleo de equipospequeños. El quemador RotriX-EV inte-gra consecuentemente los mecanismosde reducción de sustancias contaminan-tes en la combustión de gasóleo y ase-gura una combustión estable a lo largode todas las etapas de funcionamiento.
El principio de estabilización de la llamaes la esencia y la innovación del quema-dor RotriX-EV. La llama no se estabiliza enun deflector como en sistemas convencio-nales, sino a través de una corriente rota-tiva (efecto “Vortex-Breakdown”) produci-da por la construcción novedosa de lacabeza del quemador. Esta corriente rota-tiva mezcla de forma homogénea el gasó-leo, completamente evaporado en la zonacaliente de la cabeza del quemador, conlos gases de combustión recirculantes y elaire de combustión. Las altas cuotas derecirculación interna reducen la tempera-tura de la llama hasta permitir que la for-mación de NO térmico disminuya al mis-mo nivel que en la combustión de gas.En la Vitola 300, la técnica del Rotrix-EVproporciona emisiones de sustancias con-taminantes extremadamente bajas: NOx:67 mg/kWh, CO: 5 mg/kWh (según DINEN 267).
El principio de estabilización de la llama
Tal como se expone en el capítulo“Medidas para la reducción de óxidos denitrógeno”, la medida más apropiadapara la reducción de emisiones de óxidode nitrógeno en la combustión de gasó-leos es la refrigeración interna de la lla-ma, a través de la recirculación internade los gases de combustión.Los sistemas de quemadores convencio-nales para equipos de combustión esta-bilizan la llama en un deflector. El aire decombustión se conduce a un disco conranuras, a cuyo nivel se sitúa el inyectorde gasóleo.El deflector provoca un considerableaumento de la velocidad de flujo y, en con-secuencia, la correspondiente disminución
esta limitado en lo referente a la reduc-ción de NOx, dado que, con elevadoscontenidos de recuperación de gasesquemados, el amplio rango de la veloci-dad de encendido, reforzado por altastemperaturas, es muy difícil de controlar.
de la presión. Justo detrás del deflector, lavelocidad disminuye nuevamente. En estazona se estabiliza la raíz de la llama, favo-recida por una suave corriente rotativa ori-ginada por las ranuras en el deflector. Esteprincipio sólo permite la recirculación delos gases de combustión para una reduc-ción del NOx en un marco muy limitado.Si la recirculación alcanza cuotas muyaltas, la velocidad de encendido de la mez-cla combustible/aire disminuye, las llamasse desestabilizan y se desgajan.
Los denominados sistemas de quema-dor de llama azul generan una fuertecorriente axial del aire de combustión. Elcombustible se inyecta en la corriente deaire a través de un pulverizador de pre-sión y evapora en sentido descendentepor efecto de los gases de combustiónrecirculantes. La llama se estabiliza en elconducto de combustión total, en ellugar en el que la velocidad de encendi-do se encuentra en equilibrio con lavelocidad de flujo. También este proceso
Valo
res l
ímit
e d
e e
mis
ión
en
mg
/kW
h
DIN 4702,Parte 2ª
NOx
CO
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
240
260
Valores deldecreto suizo
1.BIm
SchV
“Ángel
Azul”
RAL-UZ 46
Programa desubvencionesde Hamburgo
Quemador agasóleoRotriX-EV
* valores de emisión según DIN EN 287
El quemador de gasóleo RotriX-EV, con su exclusivo principio de combustión,
consigue valores de emisión que se consideraban inalcanzables en el margen
de potencia entre 18 y 27 kW.
Comportamiento de las emisiones de la
Vitola 300 con quemador de gasóleo
RotriX-EV en comparación con diferentes
normativas y distintivos de calidad.
Efecto “Vortex-Breakdown” para la esta-
bilización de la llama y la recuperación
de los gases quemados superior al 50%
Al contrario que los sistemas anterior-mente explicados, el quemador de gasó-leo RotriX-EV aprovecha otro principiofísico para la estabilización de la llama yla recuperación de los gases de combus-tión: el denominado efecto “Vortex-Breakdown”. Este efecto permite la tran-sición de una corriente rotativa de muyelevado nivel crítico a un estado inferioral nivel crítico, a través de una amplia-ción repentina de la sección transversal.El resultado es un flujo axial con unamarcada zona de recirculación y unaintensa transferencia de masa. Las dife-rencias de velocidad originadas por elefecto “Vortex-Breakdown” son, en elpunto de la sección del flujo, tan gran-des que incluso llamas con altas cuotasde recirculación pueden ser estabilizadaspor este efecto en un amplio espectro defactores de exceso de aire.
La estructura constructiva del quemador
de gasóleo RotriX-EV
La cabeza de quemador del RotriX-EV agasóleo permite una combustión con uncontenido inusualmente bajo en nitróge-nos, debido a la recirculación interna y auna homogénea premezcla de combusti-ble y aire de combustión, a la vez que seevapora el combustible.La cabeza se compone de dos mitadesde cono, separadas longitudinalmente ydispuestas simétricamente al eje, con undesnivel entre ellas. A través de las ranu-ras creadas entre las dos mitades decono se introduce el aire de combustión,que ha sido enriquecido, medianteinyectores, con los gases procedentes dela cámara de combustión. Un pulveriza-dor de presión suministra el combustibleen la zona de la punta del cono. El sumi-nistro tangencial de la mezcla aire-gasesde combustión genera una dinámicacorriente rotativa que en la salida de lacabeza del quemador se convierte en unflujo axial con una marcada zona derecirculación y estabiliza la llama.
Cabeza del quemador con dos mitades de cono dispuestas simétricamente al eje,
con desnivel entre ellas.
Sección de la cabeza de quemador del
RotriX-EV a gasóleo
Quemador a gasóleo RotriX-EV: galardo-
nado, en 1995, con el Premio Federal a
destacados logros innovadores del sector
15
16
El cabezal del pulverizador
Además de para una óptima pulveriza-ción, el ángulo de pulverización tieneespecial importancia por la forma cónicade la cabeza del quemador. El aire decombustión suministrado envuelve alinyector de gasóleo y lo enfría. Un cuer-po laminado de aluminio proporciona,incluso después del apagado, reducidastemperaturas y crea, de esta forma unaóptima combustión a largo plazo condistintas calidades de gasóleo. Además,la nube de combustible permite una pre-mezcla parcial con el aire de combustióny limita, de forma definida, el ángulo depulverización.
Inyección de aire y gases de combustión
La imagen siguiente muestra la introduc-ción de aire de combustión y gases decombustión en secciones axiales y radia-les de la cabeza del quemador. Doscámaras de aire que envuelven el doblecono forman el conducto de aire. El airede combustión escapa por una de lasfilas de inyectores dispuestas en el inte-rior de las cámaras de aire y se enrique-ce con gases de combustión hasta llegaral doble cono. Los canales de entrada enel doble cono están construidos comoun difusor y permiten, combinados conlas perforaciones de salida de aire enforma de inyectores individuales, un ele-vado caudal de recirculación de losgases de combustión y, simultáneamen-te, un buen mezclado de los gases recu-perados con el aire de combustión. Elvalor de la cuota de recuperación de losgases de combustión se determina a tra-vés de medidas constructivas, talescomo el diseño de las secciones de losinyectores, el ancho de ranura de lasbolsas de suministro de aire, el canal demezclado y la sección de éste.
Valvulade dobleefecto
Entradade aire
Vaina doble
Ángulo de
pulveriza-
ción
Entrada
de aire
Cuerpo
refrigerador
Inyector de
gasóleo
Electrodo de
encendido
Puerta decaldera
Cab
eza
de q
uem
ad
or
de d
ob
le c
on
o
pequeño tubo deaire de arranque
Entradade gasoleo
Conductodel aire
Aire de combustión
Gases de
combustión
Canal de
mezclado
Aire de
arranque
Bolsa de aire
Entrada de
gasóleo
Mezcla de combustibley aire
Aire decombustión
Combustible
Gases de combustiónrecirculantes
El inyector de pulverización de presión
facilita el suministro de combustible en
la punta del cono
Presentación esquemática del principio de premezcla
Suministro de aire de combustión en el
quemador de gasóleo RotriX-EV
Dispositivo de aire de arranque
Según se ha explicado anteriormente, laconsecución de muy bajas emisiones deNOx requiere un alto caudal de retornode los gases de combustión. Si un que-mador arranca con cantidades demasia-do altas de gases de combustión, relati-vamente fríos en la fase de arranque,serán inevitables las fases de condicio-nes de combustión inestables. Por estarazón, el quemador de gasóleo RotriX-EV está provisto de un regulador neumá-tico del aire de combustión, que actúadurante los primeros 60 segundos. Enesta fase, al disminuir la presión de aireen el quemador y al abrir un segundopaso de aire en la zona de combustión,el nivel de recuperación de gases decombustión se reduce.También en esta fase de arranque lacombustión se realiza con óptimos valo-res de CO2.
Las ventajas del quemador de gasóleo
RotriX, en resumen:
● El quemador de gasóleo RotriX-EVaprovecha la prevaporización, la premez-cla y la recirculación de gases de com-bustión para la producción de una homo-génea mezcla de combustible-aire. Estooptimiza de modo sencillo la combustióndando estabilidad a todas las fases delproceso, alcanzando niveles de emisiónde sustancias contaminantes muy bajas.
● Con su exclusivo principio de combus-tión, consigue valores de emisión que seconsideraban inalcanzables en el mar-gen de potencia entre 18 y 27 kW: NOx
67 mg/kWh y CO 5 mg/kWh (según DINEN 267). De esta forma, cumple sobrada-mente los valores exigidos para la con-cesión del distintivo ecológico “ÁngelAzul”, la normativa revisada 1.BlmSchV,el decreto suizo sobre la pureza del airey el programa de subvenciones deHamburgo.
● Ajustado a la potencia nominal y com-probado en caliente en fábrica, para unapuesta en marcha sencilla y rápida.
● Efecto Vortex-Breakdown, es decir, porsu inmaterial cuerpo de llama, no dispo-ne de ningún deflector. Para un establefuncionamiento en un amplio espectrode los factores de aire.
● Comportamiento de arranque estable,incluso en condiciones desfavorables.
● Material de las turbinas de alta cali-dad, para una alta seguridad de funcio-namiento y una larga vida útil.
● El descenso controlado de la tempera-tura en la zona del portainyector evita laformación de coque y suciedad en elinyector, fundamentalmente tras la para-da del quemador.
● Funcionamiento silencioso en compa-ración con los quemadores convenciona-les de llama azul.
17
Sección de una Vitola 300 con quemador de gasóleo RotriX-EV, superficie de inter-
cambio térmico biferral y conducción de los gases de combustión por triple paso
compacto, de 18 a 27 kW
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El quemador de gasóleo Bluetwin amplíael programa de quemadores Viessmann.Logra valores de emisión comparablescon los de quemadores convencionalesde llama azul y cumple los valores exigi-dos para la concesión del distintivo eco-lógico “Ángel Azul”, en vigor desde el1.1.1998.
El quemador de gasóleo Bluetwin estádisponible con las calderas a gasóleo debaja y muy baja temperatura Vitola 100 y200 y las Vitola 111 y 222, hasta 27 kW.También puede emplearse como que-mador de reposición en las calderasVitola fabricadas a partir del año 1980.
Innovación técnica, utilizando
componentes certificados
El quemador de gasóleo Bluetwin reúnelas ventajas de certificados componentescon innovación técnica. El quemadorBluetwin logra la reducción de NOx gra-cias a su novedosa conducción controla-da del aire. A través de la reducción delvolumen de oxígeno en el núcleo calien-te de la llama con una recirculación delos humos simultánea, el Bluetwin que-ma la mezcla de gasóleo/aire con unallama parcialmente azul.
Novedad: principio de combustión
Duozon
El proceso de combustión tiene lugar endos zonas:
– La mezcla de gasóleo/aire se quemacon escaso oxígeno en la base de lla-ma, cerca del deflector, con formaciónreducida de NOx.
– La mezcla de gasóleo/aire de la zonamedia, enriquecida con los gases decombustión, vaporiza las pequeñasgotas de gasóleo. Esta mezcla de gasse quema con una llama azul parcial-mente enfriada, reduciendo la forma-ción de NOx.
El quemador de gasóleo Bluetwin de Viessmann está disponible con las calderas
a gasóleo de baja y muy baja temperatura Vitola 100 y 200 hasta 63 kW y, las
Vitola 111 y 222 hasta 27 kW.
El quemador de gasóleo Bluetwin reúne las ventajas de certificados componentes
con innovación técnica.
El quemador de gasóleo Bluetwin con
el principio de combustión Duozon
Llama estable, silencioso, mantenimiento
sencillo, fiable
La llama estable se consigue, gracias asu ubicación directa en el deflector. Encomparación con quemadores conven-cionales de llama azul, el Bluetwin essilencioso. La estructura del quemadorde gasóleo Bluetwin, exceptuando el dis-co perforado y el cilindro interior, esidéntica a la del certificado quemadorUnit. No supone nuevos requisitos demontaje, servicio técnico o manteni-miento, sino los mismos que los de que-madores Unit, que siguen estando dis-ponibles.
Las ventajas del quemador de gasóleo
Bluetwin, en resumen:
● Bajas emisiones de sustancias conta-minantes, gracias a su principio de com-bustión Duozon. El perfeccionamientodel certificado quemador presurizado agasóleo Unit cumple los valores de lanormativa revisada 1.BlmSchV, los exigi-dos para la concesión del distintivo eco-lógico “Ángel Azul” y los del decretosuizo sobre la pureza del aire.
● Sencillo montaje y mantenimiento.El quemador de gasóleo Bluetwin severifica en caliente en fábrica con unprograma informático y se ajusta de for-ma óptima, simplificando la regulacióninicial y la puesta en marcha.
● Ajustado a la geometría de la cámarade combustión de las calderas Vitola 100y 200.
● Reducidas pérdidas por inactividad.La válvula de aire de cierre automáticoevita, en caso de parada del quemador,la entrada de aire frío y reduce, de estamanera, las pérdidas de calor.
● Seguridad de funcionamiento, graciasal empleo de certificados componentesde alta calidad.
Optima adaptación a la geometría de la
cámara de combustión de la Vitorond
200: el quemador de gasóleo Blueflame
El quemador de gasóleo Blueflame,como perfeccionamiento del certificadoquemador de gasóleo presurizado Unit,está especialmente adaptado a la calderade baja temperatura y tres pasos dehumos Vitorond 200. Las emisiones deóxido de nitrógeno han sido reducidas deforma decisiva, gracias a la entrada con-trolada de aire de combustión. Además,el quemador de gasóleo Blueflame ofreceun funcionamiento silencioso. Debido algran tamaño de llama azul, se aplica undetector de llama IRD.
El montaje y la puesta en marcha se rea-lizan de forma tan sencilla y rápida comoen los quemadores de gasóleo Unit, gra-cias al empleo de certificados compo-nentes de alta calidad.
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6
6
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Zona 1
Zona 2
Zona 2
El aire primario (1), frenado por un disco perforado (2), alcanza el deflector (3). Las
ranuras de éste rebajan, además, la velocidad de la corriente principal y rotativa, que
han absorbido el gasóleo del pulverizador. La zona 1 del proceso de combustión se
realiza al calor de la base de la llama y, bajo atmósfera reductora.
El aire secundario (5) se conduce, a través de la ranura entre la cabeza del quemador
y el cilindro interior, a los rebordes del conducto del quemador (6). Dado que la
corriente de aire se estrecha, escapa, con gran velocidad, por la ranura entre el
deflector y la cabeza del quemador y forma remolinos (7). La baja presión detrás del
deflector absorbe los humos y los conduce a la zona 2 de la llama. Las pequeñas
gotas del combustible se vaporizan simultáneamente, facilitando en gran medida la
producción de una llama azul. Esta recirculación de los humos disminuye adicional-
mente la parte de oxígeno en la zona de la llama y la enfría.
Caldera de baja temperatura y tres
pasos de humos Vitorond 200 con que-
mador de gasóleo Blueflame. Cumple
los requisitos exigidos para la concesión
del distintivo ecológico “Ángel Azul”.
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Las fábricas Viessmann
El grupo Viessmann, con cerca de7.000 empleados en todo el mundo, esuno de los fabricantes más importan-tes de productos en la tecnología decalefacción. En la gama de calderas depie, es la marca más vendida a niveleuropeo. El nombre Viessmann equi-vale a competencia e innovación. Elgrupo Viessmann ofrece una gamacompleta de productos de tecnologíaavanzada y una técnica de sistemaadaptada específicamente a ellos. Noobstante, a pesar de la variedad exis-tente, nuestros productos tienen algoen común: un alto estándar de calidadsin excepciones, que se manifiesta enla seguridad de funcionamiento, elahorro energético, la protección delmedio ambiente y el confort de suuso.
Muchos de nuestros desarrollos sonpioneros en el sector, tanto en lo rela-tivo a las técnicas convencionales decalefacción como en el área de lasenergías renovables tales como laenergía solar y la tecnología de recu-peración de calor.
En todos los desarrollos seguimosnuestra filosofía de obtener en todomomento el mayor provecho paranuestros clientes, el medio ambiente ynuestros socios, las empresas especia-lizadas en calefacción.
Viessmann, S. L.
c/ Sierra Nevada, 13
Área Empresarial Andalucía
28320 Pinto (Madrid)
Teléf.: 91 649 74 00
Fax: 91 649 73 99
E-mail: [email protected]
www.viessmann.com
Viessmann le
ofrece una gama
amplia pero uni-
forme de produc-
tos, para cubrir
cualquier necesi-
dad y exigencia.
Su empresa especializada en calefacción:
Nos reservamos cualquier cambio técnico9445 150 – 6E 08/2001
Calderas de Bajo Consumo