la combustion

Transcripción

la combustion

UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE CHILE
FACULTAD DE INGENIERÍA
Departamento de Ingeniería Mecánica
Programa Vespertino de Prosecución de Estudios
Ingeniería de Ejecución en Mecánica
INGENIERIA DE EJECUCION MECANICA
PROGRAMA DE PROSECUCION DE
ESTUDIOS VESPERTINO
ASIGNATURA CONTAMINACION AMBIENTAL Y
DESARROLLO SUSTENTABLE
NIVEL 06
EXPERIENCIA E960
“FENOMENO DE LA COMBUSTION”
HORARIO: MARTES DE 19.00 A 21.30 HRS.
1
Introducción:
La combustión es la forma predominante de generar energía térmica principalmente a nivel industrial.
A su vez, el consumo de combustible sujeto a las fluctuaciones de precios que ellos tienen en los
mercados nacionales e internacionales, lo convierte en un insumo de gran relevancia para el sector
productivo, el que se hace sentir, de una u otra forma, en el valor final del producto obtenido.
Lo anterior, es una justificación más que valedera para establecer políticas y acciones que tiendan a



optimizar el rendimiento de combustión de las Fuentes
a racionalizar el uso de combustibles
colaborar con las campañas de descontaminación establecidas por el gobierno.
El parámetro más importante es el RENDIMIENTO DE UNA FUENTE y para su determinación
convergen una serie de variables que hacen muy difícil la compatibilización simultánea de todas ellas.
Por lo tanto, he considero - en primer lugar - mostrarles a ustedes las variables que han permitido
establecer un “PROTOCOLO DE CONTROL”
que se aplica a todas las fuentes estacionarias de
combustión y, dejaré para otra oportunidad, lo referido a
 Fuentes móviles, de responsabilidad del MTT
 Material particulado, Norma : CH-5 y Análisis de Gases Contaminantes Norma : CH3-A de
responsabilidad del SEREMI de SALUD Metropolitano.
 Procedimientos para Inspección Periódica de las Instalaciones Domiciliarias de Gas
Combustible los D.S. 222 Abril de 1996, D.S. 489 de Septiembre de 1999 y D.S. 66 de
Febrero del 2007 de responsabilidad de SEC.
2
FENÓMENO DE LA COMBUSTIÓN
En términos Químicos, la combustión corresponde a la Oxidación de una sustancia conocida como
combustible, para generar Energía. La ecuación química teórica que representa al proceso de
combustión es :
CxHy + ( x+
y
y
) O2  x CO2(g) + H2O(v) +E
4
2
Aquí se habla de una ecuación química teórica por 2 razones:

El combustible está siendo representado por un hidrocarburo de la forma CxHy, pero en la práctica
sabemos que los combustibles contienen además S, N, O como parte de su composición y que
no aparecen en la ecuación anterior, sin embargo, deben ser considerados en las ecuaciones de
balance de masa y energía asociadas con el proceso.

Por otra parte, la combustión desde el punto de vista químico, se realiza con O2 como
comburente. Sin embargo, a nivel doméstico e industrial se realiza con aire, el que corresponde a
una mezcla - en volumen - formada por 21 % de O2 y 79 % de N2 y, el N2 que ingresa junto al
oxígeno es muy estable, prácticamente no experimenta cambios medibles durante el proceso, y
abandona finalmente la cámara de combustión tal como ingresó, pero sacando - una cantidad no
despreciable de calor sensible desde el hogar para entregarlo al ambiente. En otras palabras,
se está calentando el aire ambiente.
Composición centesimal promedio (en peso) de los combustibles usados en Chile
%C
%H
%O
%N
%S
Gas
Gas
Gas
P.#6
Licuad Ciudad Natural
81,0
29,5
76,0
86,6
18,9
8,6
23,2
10,6
0,0
46,8
0,0
0,1
0,0
15,1
0,8
0,1
P.#5
Diesel
86,1
12,0
0,1
0,1
86,3
13,1
0,0
0,0
Parafina
Leña
Carbón
85,9
13,5
0,0
0,0
45,3
8,0
46,4
0,0
72,2
5,6
11,8
1,3
1,7
0,0
0,0
0,0
2,6
1,7
0,6
0,6
0,4
Los productos de combustión son todos gaseosos y emergen desde la cámara de humos a alta
temperatura y bajas presiones, lo que significa que los gases de escape se comportan
aproximadamente como ideales, ya que para esas condiciones “el factor de compresibilidad Z tiende
a 1”.
Z=1+
1
a
a
a
(b 
)P 
( 2a 
) P 2  ......
3
RT
RT
RT
( RT )
lím (
Z
) P 0  1
P
3
Para los Organismos Fiscalizadores Chileno ( Seremi
Salud; SEC ; ISP; MTT; CONAMA) los
resultados de las mediciones deberán estar referidas a la base de cálculo de 25ºC y 1,0 atm, de
acuerdo a lo establecido en el D.S. Nº4 del 2 de Marzo de 1992, del Ministerio de Salud. Por lo tanto,
el volumen molar de la mezcla será
Vm =
R·T 0,082(atm ·L / mol º K ) * 298,16º K
= 24,45 ( L / mol)

P
1atm
La reacción de combustión, no podría realizarse si faltará ciertas condiciones tales como:



La proporción aceptable entre aire y combustible: RAC
Un valor determinado de presión y temperatura conocido como Condición de Ignición.
Un mezclado homogéneo entre combustible y comburente
De acuerdo con estos parámetros podemos concluir que el RENDIMIENTO de la combustión estará
vinculado:

Al estado y calibración adecuada de los quemadores.
4

Se necesita un tiempo de residencia adecuado de la mezcla combustible en el interior del
hogar, para garantizar la quema total.

Las dimensiones adecuadas del recinto donde se realizará la combustión, llamado hogar,
deberá estar a temperatura adecuada para combustionar totalmente la mezcla. Este recinto
debería estar tapizado interiormente por refractarios para conservar la temperatura, lo que se
conoce como mampostería
5
De acuerdo a la composición centesimal del combustible, este contiene C % de carbono ( en
masa) y la reacción de oxidación será:
C + O2(g) = CO2 (g)
entonces:
C gr de C 1 mol de C 1 mol de O 2 24,45 lt de O 2 1 m 3 de O 2 1000 gr Cb





100 gr Cb 12 gr de C 1 mol de C
1 mol de O 2
1000 lt de O 2
1 Kg Cb
3
 C   m NdeO2 
 0.2445    

 12   Kgcb 
Esto significa que para combustionar totalmente el %C contenido en 1 kg combustible,
se requieren de 0,2445 (
C 3
)m N Oxígeno
12
de acuerdo con la ecuación anterior el máximo valor de CO2 que se obtendría es :
C   m 3 N .deCO2 
 

 12   Kgcb 
CO2  0.2445  
Las reacciones químicas de combustión para los restantes componentes del combustible: Azufre (S),
Nitrógeno(N) y Oxígeno (O) las podemos presentar por las siguientes ecuaciones:
S· + O2
=
SO2
N· + O2
=
NO2
- O· + (1 / 2) O2
=
- O2
La cantidad de oxígeno requerido será :
Para Nitrógeno:
0,2445 x (
N
)
14
( m3N Oxig / Kg cb )
Para Azufre :
0,2445 x (
S
)
32
Para Oxigeno:
(-) 0,2445 x (
O
)
32
6
como se está realizando el balance referido al Oxígeno necesario para combustionar 1 kg de
combustible, debemos restar el oxígeno propio que trae el combustible.
Si sumamos el oxígeno necesario para combustionar cada componente del combustible ( el C; H; N;
S y O), y sacando factor común 0,2445 tendremos:
O T = 0,2445 x [
H
C
S
N O
+
+
+
] ( m3N Oxigeno / Kg Cb )
12
4
32 14 32
Cuando en lugar de Oxigeno usamos Aire como comburente, el proceso se denomina Quemado.
Considerando que el aire contiene 21% en volumen de Oxígeno, entonces podemos calcular el aire
estequiométrico necesario para quemar 1 Kg de combustible:
3
1 m 3N Aire
 C  m N .deOxigeno
 C  m3 aire
0.2445   

 1.164    N
3
Kgcb
0.21 m N Oxígeno
 12 
 12  Kgcb
y, la ecuación general para evaluar la cantidad de aire sería:
A T = 1,164 x [
C
H
S
N O
+
+
+
]
12
4
32 14 32
(m3N Aire/Kg Cb)
En relación a los gases producto de la combustión, conocidos como gases de escape, estos estarán
formados por:
CO2
=
SO2
=
NO2
=
H2O
=
N2
=
C
)
12
S
0,2445 x (
)
32
N
0,2445 x ( )
14
H
0,2445 x ( )
2
0,2445 x (
0,79· AT
(m3N / kg Cb)
(m3N / kg Cb)
(m3N / kg Cb)
(m3N / kg Cb)
(m3N / kg Cb)
7
La suma de estos productos, nos entregan los gases de escape teórico húmedos o gases
estequiométricos húmedos.
GTH= 0,2445 · [
C H S
N
+ + + ] + 0,79·AT ( m3N / kg Cb)
12 2 32 14
Cuando las combustiones se realizaran con el Aire Teórico o
Estequiométrico, éste sólo enciende la llama, pero no es capaz de mantenerla. Para ello se requiere
una cierta cantidad de Aire en Exceso.
1.- El Aire en Exceso
El exceso de aire está perfectamente controlada por el Organismo Fiscalizador a través del Decreto
Supremo Nº 322 de 1993 (SESMA). La razón por la cual se debe controlar el exceso de aire es para
evitar:

La dilución de cualquier contaminante que se desee medir, principalmente material
particulado.

Porque el exceso de aire enfría el hogar de la fuente, y la combustión se hace
incompleta generando monóxido de carbono CO.

El N2 del aire no interviene en la reacción de combustión, sin embargo, saca calor
sensible del hogar (Cp · dT) para entregarlo a la atmósfera.
Para evaluar el porcentaje de Aire en Exceso, debemos conocer previamente la Relación de Aire .
Este parámetro se define operacionalmente como el cuociente entre Aire real y Aire teórico:

=
Aire Re al que ingresa a la cámara de combustión AR
21
=
=
Aire Teórico que interviene en la combustión
(21  O2 m)
AT
8
Entonces se habla de Gas Real Húmedo cuando hay exceso de aire:
Gas Real Húmedo = Gas Teórico Húmedo + El Aire en exceso
GRH = GTH + A exceso
Definimos :
=
AR
21

AT (21  O2m )
AR
1
AT
- 1 =
- 1 =
AR - A T
AT
Pero en termodinámica sabemos que la diferencia entre lo Real y Lo Teórico se llama Exceso
Aire en Exceso =  AR - AT
- 1 =
AExceso
AT
100 · (-1) = 100 · [
El Aire en exceso será :
/· 100
AExceso
] = % A. Exceso
AT
A.Exceso = AT ·( - 1)
Por lo tanto se ha normado el porcentaje de aire en exceso máximo permitido para las combustiones,
a través del D.S. Nº4 del 2 de Marzo de 1992 del Ministerio de Salud y también fue acogido por la
SEC para las fuentes domiciliarias. Los valores se reportan en la siguiente tabla:
9
COMBUSTIBLE
% A.Exc.
máximo permitido
Diesel
20
P# 5
40
P#6
50
Carbón parrilla
100
Carbón pulverizado
50
Leña, Astilla, Aserrín
150
Kerosenne
20
Gases combustibles
10
GN; GC y GLP
En la práctica, los equipos analizadores, determinan el O2 que no interviene en la reacción química,
por lo tanto se conoce el valor de  ( relación de aire), la que conlleva a determinar finalmente la RAC
del proceso
El aire total que ingresa a la cámara de combustión de la fuente será :
ATotal = ATeórico + A Exceso
= AT + AT· ( - 1 ) (
= AT·  (
m 3 Aire
)
Kg combstible
m 3 Aire
)
Kg combstible
Como se conoce la densidad del aire a las condiciones en que se midió el O2 en exceso, el cual es de
(
(
m 3 Aire
Kg Aire
Kg Aire
), tendremos el valor de la RAC = AT·  (
)·( 3
) = AT· ·
m3 Aire
Kg combustible
m Aire
Kg Aire
)
Kg cb
10
El mejor valor de la RAC =
15 Kg Aire
1 Kg combustible
Cuando una fuente supera el valor establecido por la norma, deberá aplicarse, un factor de
corrección por Aire en Exceso, establecido en los decretos Nº 32/ 1990 y Nº 322/ 1991
[C] Corregida = [C ] Medida · fc
Donde
fc = factor de corrección =
[C] Corregida = [C ] Medida · (
100  % AExc .medido
100  % AExc .máx. permitido
100  % AExc.medido
)
100  % AExc.máx. permitido
En lo referente al Q : caudal de los gases de escape, según el D.S. Nº 812 de 1995 del Ministerio de
Salud, indica que también debe ser corregido según la ecuación :
Q corregido =

Q corregido = Q medido · (
Q medido
fc
)
100  A.Exc.medido
2.- RENDIMIENTO DE LA COMBUSTIÓN:
De acuerdo a la ecuación básica de combustión establecida anteriormente
CxHy + ( x+
y
y
) O2 = x CO2(g) + H2O(v) +E
4
2
Podemos decir que mientras mayor sea la emisión de CO2(g), significa que más completa ha sido la
combustión, por lo tanto, el CO2(g) desprendido es un parámetro indicativo de una buena
combustión. De acuerdo a lo expresado anteriormente
11
CO2 máx
3
 C   m deCO2 
 0.2445    

 12   Kgcb 
Si este valor lo referimos porcentualmente a los gases Reales Secos (GRS) tendremos:
% CO2 máx.
C
0.2445   
 12 
= 100 ·
GRS
Por lo tanto, el Rendimiento de la combustión lo determinamos en función del % CO2 medido y el
porcentaje de CO2 máx.,teórico
%  combustión =
%CO2 medido
x100
%CO2 max
3.- DETERMINACIÓN DE LA PLENA CARGA DE LA FUENTE
Los Organismos Fiscalizadores solicitan hacer las mediciones de las fuentes a “plena carga”, ya que
a esta condición los parámetros de seguridad son perfectamente conocidos por el fabricante de la
fuente y se encuentran debidamente informados en la “placa de la caldera”
La Plena Carga se refiere al consumo máximo de combustible en
el quemador de la fuente, para lograr su potencia nominal para la
cual fue diseñada la fuente
La determinación de la plena carga requiere en primer lugar conocer el caudal normalizado y
corregido de la fuente problema (Qnc). Este parámetro se determina conociendo el área del ducto de
evacuación y la velocidad de los gases de escape.
Q medido = v (
m
) x Area ducto ( m2)
h
La velocidad de los gases efluentes se determina haciendo un barrido con un tubo de Pitot, para
determinar la presión de velocidad, en la sección transversal del ducto de chimenea
12
pitot =
 p
i
n
De la ecuación de Bernulli
V = 34,97 · Cp ·
Tg·P
(m/s)
Pabs·Mw
34,97 = factor que hace dimensionalmente compatible la identidad.
Cp = Coeficiente del Pitot que se utilice
Tg = Temperatura absoluta de los gases
P = Delta Pitot ( mm.c.a.)
Pabs = Presión Absoluta ( mm Hg)
Mw = Peso molecular del gas húmedo
el área de flujo será :
Ach =  r2 =  (
 2
) (m2)
2
Caudal de los gases de escape Normalizado y corregido será:
Pm·Vm PN ·VN

Tm
TN
Pm·Qm PN ·QN

Tm
TN
13
Pm·Vm PN ·VN

Tm
TN
Pm·Qm PN ·QN

Tm
TN
fN=
Q N TN
P
298,16
P
P

* ( )m =
* ( ) m = 0,3923 * ( ) m
Qm PN T
760
T
T
fc = factor de corrección =
100  % AExc .medido
El contenido de humedad de los gases de escape se determina usando el Nomograma de la EPA
Con este nomograma es posible conocer el peso molecular de los gases de escape como secos (Dry)
y como húmedos (WET) mediante las relaciones :
XH2O =
Xgs =
MW  M D
18  M D
M W  18
M D  18
14
Porcentaje de humedad: % H2O = 100 · Xgs
P
3600 · Vch · A · Xgs · 0,3923 · ( ) m
T
fc
El caudal Normalizado y corregido por aire en exceso:
Q NC
P
1412,3·Vch·Ach·Xgs·( )m
m 3 ge
T
=
(
)
h
fc
El consumo de combustible, para las condiciones de operación de la fuente se puede determinar por
la relación :

m3
Q NC ( )
kgcb
h
CC (
) =
h
m3
GRS (
)
kgcb
El porcentaje de plena carga de la fuente, se determina por la relación:
Plena Carga =
Consumo Calculado (normaliza. y corregido)
x100
Consumo Nominal
80 % < Plena Carga < 100
15
4.- DETERMINACIÓN DEL VAPOR GENERADO POR LA FUENTE
El cálculo de la generación de vapor no es un cálculo exacto sino más bien una estimación ya que la
fuente está sujeta a cambios constantes de consumo combustible, de variaciones de presión y
temperatura, de cambios operacionales afectada por la producción de la empresa y por las
exigencia de vapor solicitadas al operador de la fuente. Podríamos de decir que sólo tenemos una
buena aproximación en la generación de vapor, al considerar lo teórico
Más representativo resulta el cálculo a través de tablas de vapor saturado, ya que para aplicarla
debemos considerar la presión manométrica del vapor y la temperatura, el rendimiento de combustión
y el consumo de combustible. Todos estos parámetros son valores medidos instrumentalmente en la
fuente combustiva y, por ende, nos acercan mucho a lo real.
Vapor =
Potencia Calórica quemador ( Kcal / h) CC · ·PCI
=
H
Entalpía del vapor( Kcal / Kgv)
CC = consumo combustible

Kgcb
h
= rendimiento de la combustión
PCI = poder calorífico inferior (
H = Entalpía total (
Kcal
)
Kgcb
Kcal
)
Kgv
En esta ecuación es ideal ya que no se ha considerado las pérdidas, sólo hemos supuesto que el
consumo de combustible se ha transformado totalmente en calor.
Combustible
Diesel
P#5
P#6
GLP
GN
GC
PCS
Kcal
Kg cb
12.572
12.014
10.658
11.200
15.079
6.618
PCI
Kcal
Kg cb
12.228
11.239
10.037
10.108
13.761
6.087
Densidad
combustible(
Kg cb
)
m 3 cb
0.85
0,96
0,98
2,00
0,63
0,68
16
RENDIMIENTO EN LA GENERACIÓN DE VAPOR
% R Vapor =
Vapor producido por la fuente
*100
Vapor informado por fabricante (placa)
PROBLEMA APLICACIÓN:
La caldera de una recauchadora de neumáticos usa petróleo diesel #2 como combustible. La placa
de la caldera nos da la siguiente información:
 Presión de trabajo ( vapor) = 75 psi ( aprox. 5 atm)
 Vapor generado = 900 kgv/h
 Consumo nominal = 45 (Kg cb/h)
 Diámetro de flujo chimenea = 15,7 pulgadas (0,4 m)
 Presión absoluta ( barométrica) = 718 mm Hg
Los parámetros de combustión leídos a la condición de plena carga son los siguientes:
17






% CO2= 6,5
% O2 = 8
CO en el ambiente laboral = 42 ppm
Temperatura de los gases = 170 ºC
Presión de velocidad promedio de los gases = 0,8 mm.c.a.
Peso molecular promedio gases de escape secos = 29,7 (g/mol)
Desarrollo:
A T = 1,164 x [
 
C
H
S
N O
86,3 13,1 0,6
+
+
+
] = 1,16 · (
) = 12,16 (m3N Aire/Kg Cb)


12
4
12
4
32
32 14 32
AR
21
21


 1,6
AT
( 21  O2 m )
( 21  8)
1
%AExc = 100 · (-1) = 100 ( 1,6 -1) = 60 %
 ge =
P·Mw

RT
1Atm ·28,9
0,082
g
mol
Atm ·L
·(170  273,16)º K
º K ·mol
 0,74
Kg
m3
RAC = At · · ge = 12,16 · 1,6 · 0,74 = 14,4
1
fC =
100  % AExc . medido
100  60 160

 1,33
=
100  % AExc .máx. permitido 100  20 120
% CO2 (correg) = % CO2 (medido)· fC = 6,5 · 1,33 = 8,6 %
Respecto al monóxido de carbono ambiental CO
CO corregido = CO m · fc = 42 · 1,33 = 56 ppm.
18
Considerando que lo máximo permitido para interiores es 45 ppm, la fuente queda con sello
amarillo y sujeta a revisión mecánica.
GRH = 0,2445 (
C H N S
m 3GRH
)
   )  AT (  0,21) (
12 2 14 32
Kg.cb
GRH = 0,2445 · (
m 3 GRH
86,3 13,1 0,6
) + 12,16 · (1,6- 0,21 ) = 20,2


12
2
32
Kg .cb
GRS = GRH – 0,2445 · (
m 3GRS
H
19
) = 24 – 0,2445 · ( ) = 18,6 (
)
2
2
Kg .cb
De acuerdo a la composición centesimal del combustible:
CO2 máx . = 0,2445 · (
m 3 N .CO2
C
86,3
) = 0,2445 · (
) = 1,76 (
)
12
12
Kg .cb
m 3 N CO 2
1,76
Kg cb
% CO2 máx. =
x 100 = 9,46 %
m3 N GRS
18,6
Kg cb
 Combustivo
=
CO2 medido y corregido 8,6

CO2 máx.
9,46
X 100 = 91 %
De acuerdo con el Nomograma tenemos:
Xgs =
Vch = 34,97 · Cp ·
Ach =  r2 =  (
M W  18 28,9  18
=
 0,94
M D  18
29,6  18
Tg·P
=34,97 · 0,84 ·
Pabs·Mw
443,16·0,8
m
 3,9( )
718·28,9
s
 2
0,4 2
) (m2)=  (
) = 0,126 m2
2
2
19
Q NC
718
P
)
1412,3·Vch·Ach·Xgs·( )m 1412,3 ·3,9 · 0,126 · 0,94 · (
m 3 ge
443,16
T
=
=
)
 782,4 (
h
fc
1,33
El consumo de combustible, para las condiciones de operación de la fuente se puede determinar por
la relación:

m3
Q NC ( )
kgcb
h = 782,4  42 Kg cb
CC (
) =
h
18,6
h
m3
GRS (
)
kgcb
El porcentaje de plena carga de la fuente, se determina por la relación:
Plena Carga =
Consumo Calculado (normaliza. y corregido)
x100
Consumo Nominal
42
=
*100  93,5%
45
80 % < Plena Carga < 100 %
Por lo tanto la fuente, durante la medición, se mantuvo a plena carga como exige la Norma.
El vapor producido por la caldera:
A través de la tabla de vapor saturado y con la presión manométrica del vapor de 75 psi ( 5 Atm ),
la entalpía total es de 657 (
Vapor =
Kcal
), entonces:
Kgv
Potencia Calórica quemador ( Kcal / h) CC · ·PCI
=
H
Entalpía del vapor( Kcal / Kgv)
Potencia del quemador será:
Pc (
kcal
Kcb
Kcal
kcal
) = 42(
) · 0,91 · 12.228(
) = 467.354,2 (
)
h
h
Kcb
h
20
Kcal
h  467.354,2  712 Kgv
Vapor =
Kcal
657
h
Entalpía
Kgv
Potencia
Rendimiento en Vapor =
Vapor calculado
712
*100 
*100  79,1 %
Vapor nominal
900
21

la combustion

Transcripción

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