FUNDAMENTOS DE COMBUSTION FUNDAMENTOS DE COMBUSTIONY OPERACI Y OPERACI N EN HORNOS N EN HORNOSIng. HctorChamor r oPUERTO ORDAZ,JULIO 2007COMBUSTIBLES Y PROCESO DE COMBUSTIONDEFINICION DE COMBUSTIBLEDefinicin de Combustiblel En el ms amplio sentido, Combustible es toda sustancia capaz de desprender calorutilizable en el curso de una reaccin qumica o fsica.TIPOS DE COMBUSTIBLESl Slidosl Maderal Carbnl Lquidosl Naturales:Petrleol Procesados:Destilados del petrleoResiduales del petrleol Gaseososl Naturales:Gas Naturall Procesados: Gas de refineraGas de CoqueGas COPROPIEDADES DE LOS COMBUSTIBLESl Composicin Qumical Poder Calorficol Viscosidadl Densidadl Lmite de Inflamabilidadl Punto de Inflamabilidad o Temperatura de ignicinl Temperatura de combustinl Contenido de AzufreCARACTERISTICAS DE LOS COMBUSTIBLESComposicin qumical En la composicin qumica de los combustibles slidos y lquidos entran cantidades mayores o menores de: Carbn(C), Hidrgeno (H2), Azufre (S), Nitrgeno(N) y Oxgeno (O); estos elementos qumicos no se encuentran en forma general aislados, sino en diferentes combinaciones.CARACTERISTICAS DE LOS COMBUSTIBLESl Los combustibles gaseosos contienen en general los mismos elementos, bajo forma de gases tales como: Monxido de carbono(CO), Dixido de carbono (CO2), Metano(CH4), Etano (C2H4), Hidrocarburos del tipo (CxHy), etc.CARACTERISTICAS DE LOS COMBUSTIBLES GASEOSOSl Composicin qumica del gas natural. El gas natural estcompuesto por los siguientes componentes gaseosos:l Metano (CH4), con un 86,19 %l Etano (C2H6), con un 7,13 %l Propano (C3H8), con un 0,29 %l i Butano (iC4H10), con un 0,05 %l n Butano (nC4H10), con un 0,05 %l i Pentano (iC5H12), con un 0,05 %l n Pentano (nC5H12), con un 0,04 %l n Hexano (nC6H14), con un 0,13 %l Anhdrido Carbnico (CO2), con un 6,08 %CARACTERISTICAS DE LOS COMBUSTIBLESl Poder Calorficol El poder calorfico representa la cantidad de calor que se desprende en una combustin completa de un kilogramo (Kg; lb) de combustible slido o lquido o de un metro cbico normal (Nm3; ft3) de combustible gaseoso. El poder calorfico se expresa en (Kcal / Kg); (KJ / Kg) o (Kcal / Nm3); (KJ/ Nm3); BTU/ft3.CARACTERISTICAS DE LOS COMBUSTIBLESl Poder calorfico inferior (Qi, Hi,LHV). Cuando el agua se encuentra en estado de vapor; en este caso una determinada cantidad de calordesprendida por la combustin del combustible, se consume para la vaporizacin del agua. El Poder calorfico inferior tambin se llama Poder calorfico til o industrial, debido a que en condiciones reales de combustin en instalaciones industriales, los productos de combustin son evacuados a la atmsfera a la temperatura en la cual los vapores de agua no puedan condensarse, llevando con los gases hacia la chimenea el calor latente de vaporizacin.CARACTERISTICAS DE LOS COMBUSTIBLESl Poder calorfico superior (Qs, Hs, HHV). Cuando el agua se encuentra en estado lquido; en este caso los vapores de agua se han condensado, cediendo su calor latente de vaporizacinCARACTERISTICAS DE LOS COMBUSTIBLESl El poder calorfico inferior de los combustibles slidos y lquidos se puede calcular si se conocela composicin elemental de ellos, con la ayuda de la siguiente formula:Qi= 8500 C + 2500 S + 27000(H O/8)- 600 W(Kcal/kg)l Donde: C, S, H, O y W, representa en peso al Carbn, Azufre, Hidrgeno, Oxigeno y Agua, resultados del anlisis qumico elemental del combustible.CARACTERISTICAS DE LOS COMBUSTIBLESl El poder calorfico superior del combustible, se puede calcular en funcin del poder calorfico inferior.Qs= Qi+ 600(9H + W) (Kcal/kg)CARACTERISTICAS DE LOS COMBUSTIBLESl Por la combustin de los combustiblesse producen diferentes gases y vapor de agua. El vapor de agua resulta de la vaporizacin del agua contenida en el combustible y de la combustin del Hidrgeno que se encuentra en el combustible.CARACTERISTICAS DE LOS COMBUSTIBLESl En el caso de los combustibles gaseosos, cuando se conoce su composicin, el Poder calorfico Inferior y Superior se calcula con la frmula dada por Mendeleev:Qi= 3020 CO + 2570 H2 + 5670 H2S + 8550 CH4+ 14320 C2H4+ 15370 C2H6+22350 C3H8+ + 29558 C4H10+ 34947 C5H12+ 44864 C6H14(Kcal/ Nm3)CARACTERISTICAS DE LOS COMBUSTIBLESQs= 3020 CO+ 3044 H2+ 9520 CH4+16820 C2H6+ 24320 C3H8+ 31550 iC4H10+ 31615 nC4H10+ 37509 iC5H12+ + 37671 nC5H12 + 44864 nC6H14 (Kcal / Nm3)l Donde: CO, H2, CH4, C2H4, etc.,representan los elementos componentes del gas considerado, en porcentaje de volumen.CARACTERISTICAS DE LOS COMBUSTIBLESLos valores de los poderes calorficos inferiores y las cantidades de aire mnimo necesario para la combustin, se indican en la siguiente tabla.VALORES DEL PODER CALORIFICO (BTU/ft3)3018 3271 Butano (C4H10)2322 2524 Propano (C3H8)1622 1773 Etano (C2H6)911 1014 Metano (CH4)Inferior (LHV)Superior (HHV)CombustibleHHV = Higher heating value ; LHV = Lower heating valuePODER CALORIFICO DE LOSCOMBUSTIBLES GASEOSOSFuente: Improving Thermal Efficiency in Process Heating Equipment PODER CALORIFICO DE LOSCOMBUSTIBLES GASEOSOS72 C6H14n -Hexano58 C4H10n- Butano56 C4H8Butileno44 C3H8Propano42 C3H6Propileno30 C2H6Etano26 C2H2Acetileno16 CH4Metano28 COMonoxido de Carbono2 H2HidrgenoPeso Molecular Formula CombustibleCARACTERISTICAS DE LOS COMBUSTIBLES GASEOSOSl Los combustibles gaseosos son materiales combustibles los cuales a temperatura y presin ambiente se encuentran en estado gaseoso.l Los combustibles gaseosos naturales se extraen de la tierra de los yacimientos gasiferos y petroleros.l Los combustibles gaseosos artificiales se obtienen por descomposicin trmica del carbn (gas de gasgeno, de alto horno, de cokera, de gasificacin, etc.) y de los productos petroleros (gases de refinera).CARACTERISTICAS DE LOS COMBUSTIBLES GASEOSOSl Poder calorfico del gas natural. El poder calorfico del gas natural, combustible ms utilizado en los hornos industriales, vara entre 8.000 y 9.000 Kcal / Nm3.l Densidad del gas natural. Para determinar la densidad del gas natural se utiliza la siguiente frmula:Peso Molecular PMgngas natural= ----------------------- = ----------Volumen Molar V0 CARACTERISTICAS DE LOS COMBUSTIBLES GASEOSOSPMgn= PM de c / c * % Volumtrico de c / cl Donde:PMgn= Peso Molecular del gas naturalPM de c / c = Peso Molecular de cada componente Volumtrico% Volumtrico de c / c = % Volumtrico de cada componenteV0= Volumen Molar = 22,4 Nm3/ Kg molDENSIDAD DE ALGUNOS GASESCARACTERISTICAS DE LOS COMBUSTIBLES GASEOSOSl Gravedad especfica del gas natural. Para determinar la gravedad especfica del gas natural se utiliza la formula general:gngn=-----------airel Donde:gn= Gravedad especfica del gas naturalgn= Densidad del gas natural(Kg / Nm3)aire= Densidad del aire = 1,29 (Kg / Nm3).LIMITE DE INFLAMABILIDADl Esta propiedad se utiliza en combustibles gaseosos. Establece la proporcin de gas y aire necesaria para que se produzca la combustin mediante un lmite superior y uno inferior.l Los gases mas inflamables son el H2y el C2H2(Acetileno)LIMITE DE INFLAMABILIDADPUNTO DE INFLAMACION O TEMPERATURA DE IGNICIONl Para que se produzca la reaccin de combustin, la mezcla de combustible y comburente debe alcanzar una temperatura mnima necesaria, que recibe el nombre de punto de inflamacin o temperatura de ignicinl Una vez que se alcanza dicha temperatura, el calor producido mantendr la temperatura por encimade la ignicin y la reaccin continuar hasta que se agote el combustible o el comburente.l El punto de inflamacin depende del comburente.TEMPERATURA DE IGNICION1034 Propileno1016 Etileno980 Butano1016 Propano1070 Etano1205 1241 Metano1205 Monxido de Carbono1088 HidrgenoTEMP. DE IGNICION (F) COMPONENTESTEMPERATURA DE COMBUSTIONl Es la temperatura mxima de llama que se alcanza durante el proceso de combustin.CONTENIDO DE AZUFREl Es importante conocer el contenido de Azufre en los combustibles, ya que esto determina la cantidad de SO2. Que aparecer en los humos producto del resultado de la combustin.TEMPERATURA DE LLAMA ADIABATICAl Es el calor liberado por la combinacin qumicade un combustible con el aire, calienta los productos de combustin y los irradia a los alrededores.l La temperatura de llama es mayor cuando lasperdidas de los alrededores son menores y la combustin es perfecta.l La utilizacin de exceso de aire o exceso de combustible permite mayor introduccin de materia para absorber calor de la combustin de tal manera que la temperatura de la llama no puede ser tan alta como con una mezcla perfecta aire combustible.LA TEMPERATURADE LLAMA ADIABTICA DEPENDE DE:l Tipo de combustiblel Tipo de oxidante (aire, oxigeno)l Temperatura del combustible y del oxidantel Relacin oxidante / combustibleTEMPERATURA DE LLAMA ADIABATICAl Esta temperatura ha sido calculada paramuchos combustibles comunes (vertabla).l Esta temperatura es terica, debido a que no se han tomado en cuenta lasprdidas por los alrededores.l Las temperaturas reales de llama < quelas temperaturas encontradas en lastablas, que son para una combustinperfecta.TEMPERATURA REAL DE LA LLAMAl Es la diferencia entre la temperaturaterica de llama menos la cada de temperatura causada por el calortransferido a la carga o superficies intercambiadoras de calor y a los alrededores.TEMPERATURADE LLAMA ADIABTICATEMP. LLAMA (F) CONDICIN4540 (2504 C)GN, 100 % O23750 (2066 C)GN, 900 F Aire comb.3650 (2010 C)GN, 900 F, Aire-10% a3545 (1952 C)GN, 900 F, Aire-20% a3460 (1904 C)GN, Aire ambiente3225 (1774 C)GN, 15 % a2750 (1510 C)GN, 7:1 Aire/Comb.Fuente: Improving Thermal Efficiency in Process Heating Equipment PROCESO DE COMBUSTINQUE ES LA COMBUSTIN?COMPONENTES DE LA COMBUSTIONCombustibleOxidanteTemperatura(Fuente de ignicinCOMBUSTION PERFECTACuando el combustible reacciona completamente con el oxigeno del aire, todos los tomos de carbn, hidrgeno y azufre se combinan con todos los tomos de oxigenoformando el dixido de carbn, vapor de agua y dixido de azufreC + O2CO2+ Calor2 H2+ O22 H2O + CalorH2S + 3/2 O2SO2+ H2O + CalorCOMBUSTION PERFECTAAIRE ESTEQUIOMETRICOl Cantidad de aire qumicamente correcta para quemar todo el combustible.Aire100------------- = -------- = 4,76 (En volumen)Oxigeno21Nitrgeno 78--------------- = --------- = 3,76 (En volumen)Oxigeno21AIRE EN EXCESOl Cantidad de aire en exceso de la requerida para una combustin estequiomtricaCOMBUSTION IMPERFECTAl Es cuando parte del combustible que entraen la reaccin, se oxida en grado inferior o no se oxida.l Si hay mucho combustible o deficiencia de Oxgeno, se dice que la mezcla es Rica y la llama es reductora.l Esto resulta en una llama larga y algunasveces con humo.l Esto se debe a que todas las partculas de combustible se combinan con algo de Oxgeno, pero no en la cantidad suficientepara quemarse completamente.COMBUSTION COMPLETAl Se considera completa cuandocuantitativamente el combustible se quema en su totalidad, ya sea perfecta o imperfecta.l Por ejemplo si se suministra aire en exceso se dice que la mezcla es Pobre y la llama es Oxidante.l Esto resulta en una llama corta y clara.COMBUSTION INCOMPLETAl Cuando una parte del combustible escapa a la reaccin se habla de combustinincompleta.l Mientras la combustin imperfecta esesencialmente una consecuencia de falta deaire, las causas de una combustinincompleta consisten, ante todo, en que lasreacciones o reaccin no puedacompletarse por falta de tiempo o que lastemperaturas sean muy bajasMECANISMO DE LA COMBUSTION REACCIONES EN LLAMAl Aldehdos:Son productos contaminantes originados porla combustin incompleta de hidrocarburos, los cuales se caracterizan por tener un olorirritante y desagradable.l cidos:Son productos contaminantes de la combustin, originados por la presencia de Nitrgeno (aire), Azufre y Carbn(combustible)MECANISMO DE LA COMBUSTION REACCIONES EN LLAMAl Monxido de Carbono (CO):Es un gas producto de la combustinincompleta.l Dixodo de Carbono (CO2):Es un gas producto de la combustincompleta.l Particulados:Son remanentes de una combustinincompleta (ceniza, holln)REQUISITOS PARA UNA BUENA COMBUSTIONl El carbn, hidrgeno y azufre raramente son quemados en forma pura.l Muchos combustibles son mezclas de compuestos qumicos llamados hidrocarburos(encontrandose principalmente en los combustibles lquidos y gaseosos, como el gas natural).l Cuando estos hidrocarburos se queman, los productos finales de la combustin son CO2, H2O y SO2, si el combustible contiene unaapreciable cantidad de Azufre. REQUISITOS PARA UNA BUENA COMBUSTIONl Si hay deficiencia de O2, los productos de combustin pueden contener ademas CO, H2, hidrocarburos no quemados y Carbn libre.l Aunque los productos finales de la combustinestn limitados a los mismos compuestos (CO2, H2O, SO2), no todos ellos son producidos por el mismo proceso de combustin. Normalmente se producen productos intermedios.l El C y el H2se combinan formando unasucesin de compuestos inestables, los cualesse combinan para formar CO2y H2O. REQUISITOS PARA UNA BUENA COMBUSTIONl Los tipos de compuestos intermediosformados y su velocidad de formacindepende de:l La Presinl La Temperatural Cantidad de O2l Grado de la mezclaUNA BUENA COMBUSTION REQUIERE:l Proporcin del aire y el combustiblel Mezcla completa y continua del Aire y el Combustiblel Inicial y sostenida ignicin de la mezclal Estabilidad de la llama.Mecanismos de combustin/ reacciones en llamaZONA DE OXIDACINZona de alta temperaturaSin oxidacinMezclaMezclaMecanismos de combustin/reacciones en llamaZona de OxidacinZona de alta temperaturaMezclaCONTAMINANTESl Son productos de la combustin que generan daos a las instalaciones y al ambiente:COxl Gases SOxNOxl ParticuladosCOMBUSTIN GENERADORA DE EMISIONESFACTORES QUE AFECTAN LA FORMACIN DE CO Y DE INQUEMADOSl La temperatura de operacin de los hornosl La falta de exceso de airel El exceso de combustible (sub-estequiomtrico)l Diseo de los quemadores y hornosFORMACION DE COFuente: Improving Thermal Efficiency in Process Heating EquipmentCOMBUSTIN GENERADORA DE EMISIONESFACTORES QUE AFECTAN LA FORMACIN DE NOxl Temperatural Temperatura de la llama adiabtica, la cual depende de la composicin del combustible y de la relacin aire/combustible en el quemadorl Temperatura de operacin del horno, la cual depende del set-point de la temperatura del horno.l De la ubicacin del quemador en un sistema multiquemadoresl De la rata de calentamiento del quemador o del calor de entradaCONCENTRACION DE OXIDO NITRICOFuente: Improving Thermal Efficiency in Process Heating EquipmentPRINCIPALES CONTAMINANTES CONTENIDOS EN LOS GASES DE COMBUSTIONl Mejorar eficiencia de combustin con reduccin de descargas de contaminantesl Combustin hidrocarburos, carbn, otrosIdem CO2Dixido de carbonol Monitoreo peridico de emisiones de CO l Ajustes operacionales de combustin (incremento de O2) l Reparar Mantener sistemal Combustin deficientel Equipos daadosl Prcticas operacionalesl Lluvia cida , efecto invernaderol Asfixia, irritacin ojos, mucosasCOMonxido de carbono (lmite MARNR 638400 ppm) SOLUCION ORIGEN EFECTO COMPONENTEPRINCIPALES CONTAMINANTES CONTENIDOS EN LOS GASES DE COMBUSTIONl Monitoreo peridico de emisiones.l Ajustes operacionales de combustin (bajo exceso de O )l Reduccin contenido de N en los combustiblesl Instalar tecnologa Low -NOxl Oxidacin de Nitrgeno del aire y Nitrgeno del combustible durante la combustinIdem NOXxido de Nitrgeno, principalmente NO2(lmite MARNR 638300 ppm)l Eliminacin contenido de S y H2S del combustible (Tecnologa)l Post tratamiento neutralizacin. Catalizada no catalizada. Aditivosl Monitoreo peridico de emisionesl Combustin de azufre de los combustibles H2S, gases, azufre elemental en lquidosSOxxidos de azufre principalmente SO2(lmite MARNR 6385000 mg por cada Nm3) SOLUCION ORIGEN EFECTO COMPONENTEPROCESO DE COMBUSTION DEL GAS NATURALCOMBUSTION DEL GAS NATURALOxigeno mnimo para una combustin perfecta. Para determinar la cantidad mnima de Oxigeno para obtener una combustin perfecta del gas natural utilizamos la siguiente frmula general:[O2]min= 0,5 (% CO) + 0,5 (% H2) + (x + y/4) (% CxHy) (% O2) Nm3/ Nm3Donde:CO, H2, (x + y/4) (CxHy). Son los componentes combustibles del combustible gaseoso (gas natural).COMBUSTION DEL GAS NATURALl De las siguientes ecuaciones de combustin resulta la cantidad mnima necesaria de Oxgeno para la combustin de los componentes combustibles.CO + O2 CO21 kmol CO + Kmol O2= 1 Kmol CO2 H2+ O2 H2O1 kmol H2+Kmol O2= 1 Kmol H2OCH4+ 2 O2 CO2+2 H2O 1 kmol CH4+2 Kmol O2= 1 Kmol CO2+ + 2 Kmol H2OCOMBUSTION DEL GAS NATURALC2H4+ 3 O2 2 CO2+2 H2O1 kmol C2H4+ 3 Kmol O2= 2 Kmol CO2+ 2 Kmol H2OCxHy+ (x + y/4) O2 x CO2+ y/2 H2O1 kmol CxHy+ (x + y/4) Kmol O2= x Kmol CO2+ y/2 Kmol H2OCOMBUSTION DEL GAS NATURALCantidad de aire mnimo para la combustin perfecta. l Para determinar la cantidad mnima de aire para obtener una combustin perfecta se utiliza la siguiente ecuacin:[O2]min[Lmin] = --------- (Nm3/ Nm3)0,21l El aire de la atmsfera tiene una composicin volumtrica de 79 % de Nitrgeno y 21 % de Oxigeno; cantidad involucrada en la ecuacin.COMBUSTION DEL GAS NATURALVolumen mnimo de gases de combustin hmedos.l Para determinar el volumen mnimo de gases de combustin se utiliza la siguiente frmula:[Vh]min=(% CO) + (%CO2) + (%H2) + (%N2) + ((x CxHy) + y/2 (CxHy)) +0,79 [Lmin](Nm3/ Nm3)l Donde:[Vh]min= Volumen mnimo de gases de combustin hmedos.C0, CO2, H2, N2, CxHy, Son los componentes combustibles del combustible gaseoso (gas natural).COMBUSTION DEL GAS NATURALl Tambin se puede escribir la ecuacin:[Vh]min= VCO2+ VN2+ VH2O(Nm3/ Nm3)l Donde:VCO2=Volumen mnimo de CO2, resultante de la combustin del gas.VN2= Volumen mnimo de N2, resultante de la combustin del gas.VH2O= Volumen mnimo de H2O (vapor de agua) resultante de la Combustin del gas.COMBUSTION DEL GAS NATURALVolumen mnimo de gases de combustin secos. l Para determinar el volumen mnimo de gases de combustin se utiliza la siguiente frmula:[Vs]min=(% CO) + (%CO2) + (%H2) + (%N2) + + (x CxHy) + 0,79 [Lmin](Nm3/ Nm3)l Donde:[Vs]min= Volumen mnimo de gases de combustin secos.CO, CO2, H2, N2, CxHy, Son los componentes combustibles del combustible gaseoso (gas natural).COMBUSTION DEL GAS NATURALVolumen mnimo de gas CO2(Anhdrido carbnico) en los gases de combustin.l Para determinar el volumen mnimo de gas CO2, en los gases de combustin se utiliza la siguiente ecuacin:[VCO2]min = (%CO2) + (x CxHy)(Nm3/ Nm3) l Donde:[VCO2]min= Volumen mnimo de gas CO2(CO2) + (x CxHy) son los componentes combustibles del combustible gaseoso (gas natural).COMBUSTION DEL GAS NATURALPorcentaje mximo de gas CO2(Anhdrido carbnico) en los gases de combustin.l Para determinar el porcentaje mximo de gas CO2en los gases de combustin secos, se utiliza la siguiente relacin:[VCO2]min[CO2]max= -----------------* 100 ( % )[Vs]minl Donde:[CO2]max= Es el porcentaje mximo de gas CO2 en los gases de combustin secos.[VCO2]min= Volumen mnimo de gas CO2[Vs]min= Volumen mnimo de gases de combustinsecosCOMBUSTION DEL GAS NATURALVolumen mnimo de gas N2 (Nitrgeno) en los gases de combustin.l Para determinar el volumen mnimo de gas N2, en los gases de combustin se utiliza la siguiente ecuacin:[VN2]min= (%N2) + 0,79 [Lmin] (Nm3/ Nm3)l Donde:[VN2]min= Volumen mnimo de gas N20,79 Participacin volumtrica del nitrgeno del aire ( % )[Lmin] =Volumen mnimo de aire para la combustin perfectaCOMBUSTION DEL GAS NATURALVolumen mnimo de H2O (vapor de agua) en los gases de combustin.l Para determinar el volumen mnimo del vapor de agua contenido en los gases de combustin, se utiliza la siguiente frmula:[VH2O]min= (%H2) + ((x + y/2) CxHy(Nm3H2O/ Nm3GN)l Donde:[VH2O]min= Volumen mnimo del vapor de agua en los gases de combustin.(H2) , ((x + y/2) CxHy), son los componentes combustibles del combustible gaseoso (gas natural).COMBUSTION DEL GAS NATURALl Tambin se puede utilizar la siguiente formula:[Vh]min= [VCO2]min+ [VN2]min+ [VH2O]min(Nm3/ Nm3)l Donde:[Vh]min=Volumen mnimo de gases de combustin hmedos[VCO2]min= Volumen mnimo de gas CO2en los gases de combustin. [VN2]min= Volumen mnimo de gas N2en los gases de combustin.[VH2O]min= Volumen mnimo de vapor de agua en los gases de Combustin. [VH2O]min= [Vh]min ([VCO2]min+ [VN2]min) (Nm3/ Nm3)Pero: [VCO2]min+ [VN2]min= [Vs]min[VH2O]min= [Vh]min [Vs]min(Nm3/ Nm3)COMBUSTION DEL GAS NATURALPorcentaje de exceso de aire.La formula para determinar el exceso de aire es lasiguiente:[Lreal] = ------------- * 100[Lmin] [Lreal] = Volumen real de aire para una combustin con exceso de aire[Lmin] = Volumen mnimo de aire para una combustin perfecta.COMBUSTION DEL GAS NATURALCantidad de aire considerando el exceso de aire.Para determinar la cantidad de aire necesaria para la combustin del gas combustible, considerando el exceso de aire, se utiliza la siguiente frmula:[Lreal] = [Lmin] * (Nm3Aire/ Nm3GN)Donde:[Lreal] = Volumen de aire para la combustin considerando el exceso de aire.[Lmin] = Volumen de aire mnimo para la combustin perfecta. = Coeficiente de exceso de aire ( % ).COMBUSTION DEL GAS NATURALCantidad de combustible (gas natural) necesario para una combustin perfecta.l Para determinar la cantidad de combustible (gas natural) necesario para tener una combustin perfecta, se utiliza la siguiente frmula:Cantidad de calor requerida ( Kcal / h ) Nm3l [Bi] = ----------------------------------------------------------- =----------Poder calorfico inferior (Kcal / Nm3) hCOMBUSTION DEL GAS NATURALl Ejercicio:l En este ejemplo se revisaran las formulas mencionadas anteriormente y se calcularan para el gas natural que se emplea en la zona de Guayana Estado Bolvar. l Combustible: Gas Naturall Composicin: l Metano (CH4), con un 86,19 %l Etano (C2H6), con un 7,13 %l Propano (C3H8), con un 0,29 %l i Butano (iC4H10), con un 0,05 %l n Butano (nC4H10), con un 0,05 %l i Pentano (iC5H12), con un 0,05 %l n Pentano (nC5H12), con un 0,04 %l n Hexano (nC6H14), con un 0,13 %l Anhdrido Carbnico (CO2), con un 6,08 %COMBUSTION DEL GAS NATURALl Clculo del poder calorfico: Se emplea la frmula de Mendeleev, tanto para el poder calorfico superior como para el poder calorfico inferior.Qi= 3020 CO + 2570 H2+ 5760 H2S + 8550 CH4+ 14320 C2H4+ 15370 C2H6+22350 C3H8+ 29130 iC4H10+ 29520 n C4H10++ 34794 i C5H12+ 34860 n C5H12 + 44864 n C6H14(Kcal / Nm3)Qi= 8550*0,8619 + 15370*0,0713 + 22350*0,0029 + 29130*0,0005 + + 29520*0,0005 + 34794*0,0005 + 34860*0,0004 + 44864*0,0013Qi= 7369,25 + 1095,88 + 64,82 + 14,57 + 14,76 + 17,4 + 13,94 + 58,32l Qi= 8648,33(Kcal / Nm3) o36150 (KJ / Nm3)COMBUSTION DEL GAS NATURALl De la misma forma calculamos el poder calorfico superior:Qs= 3020CO+3044H2+9520CH4+16820 C2H6+24320C3H8+31550 iC4H10+ 31615 n C4H10+ 37509 i C5H12+ 37671 n C5H12+ 44864 n C6H14(Kcal / Nm3)Qs= 9520*0,8619 +16820*0,0713 + 24320*0,0029 + 31550*0,0005 + 31615*0,0005 + 37509*0,0005+ 37671*0,0004 + 44864*0,0013 (Kcal / Nm3)Qs= 8205,29 + 1199,27 + 70,53 + 15,78 + 15,81 + 18,75 ++ 15,07 + 58,32l Qs= 9598,81(Kcal / Nm3)o 40123(KJ / Nm3)COMBUSTION DEL GAS NATURALl Clculo de la densidad del gas natural:Peso Molecular PMgngas natural= ----------------------- = ----------Volumen Molar V0 PMgn= PM de c / c * % Volumtrico de c / cComposicin%Volumtrico Peso Molec. P.M. c/cl Metano (CH4), 82,1916 13,79l Etano (C2H6),7,1330 2,14l Propano (C3H8),0,2944 0,13l i Butano (iC4H10), 0,1058 0,06l Pentano (iC5H12),0,09 72 0,07l Hexano (nC6H14),0,13 860,11l Anhdrido Carbnico (CO2) 6,0844 2,68PMgn= 13,79 + 2,14 + 0,13 + 0,06 + 0,07 + 0,11 + 2,68PMgn= 18,97(Kg / Kg mol)COMBUSTION DEL GAS NATURAL18,97 (Kg./Kgmol)l gas natural= ----------------------- = ---------------------22,4 (Nm3/Kgmol)gas natural= 0,8468 (Kg / Nm3)Clculo de la gravedad especfica del gas natural:gnl gn=-----------aire0,8468 (Kg / Nm3)gn=------------- = ----------------1,2929 (Kg / Nm3)l gn= 0,655COMBUSTION DEL GAS NATURALClculo del oxigeno mnimo para una combustin perfecta:[O2]min= 0,5 (% CO) + 0,5 (% H2) + (x + y/4) (% CxHy) (% O2)(Nm3/ Nm3)4 6 810[O2]min= (1 + ----)*CH4 + (2 + ----)*C2H6+ (3 + ----)* C3H8+(4 + -----)*C4H104 4 4 412 14+ (5 + -----)* C5H12 + (6 + ------)* C6H14(Nm3O2/ Nm3GN )4 4[O2]min= 2*0,8619 + 3,5*0,0713 + 5*0,0029 + 6,5*0,001 + 8*0,0009 ++ 9,5 *0,0012[O2]min= 1,7238 + 0,24955 + 0,0145 + 0,0065 + 0,0072 + 0,0114 l [O2]min= 2,01295 (Nm3O2/ Nm3GN)COMBUSTION DEL GAS NATURALCantidad de aire mnimo para la combustin perfecta:[O2]minl [Lmin] = --------- (Nm3/ Nm3)0,212,01295 (Nm3O2/ Nm3GN)[Lmin] = ----------- = -------------------------------0,21(Nm3O2/ Nm3Aire)l [Lmin] = 9,585 (Nm3Aire / Nm3GN)COMBUSTION DEL GAS NATURALVolumen mnimo de gases de combustin hmedos:[Vh]min=(% CO) + (%CO2) + (%H2) + (%N2) + ((x CxHy ) + y/2 (CxHy )) + + 0,79 [Lmin] (Nm3/ Nm3)[Vh]min= (%CO2) +((x CxHy ) + y/2 (CxHy )) + 0,79 [Lmin] (Nm3/ Nm3)4 6 8 10[Vh]min= (0,0608) + (1*0,8619 + -----* 0,0713 + ----*0,0029 + -----*0,001 + -------*0,0009 +2 2 2 21268 10 12+ ------*0,0012 + 2*0,8619 +----*0,0713 + ----*0,0029 + ----*0,001 + ------*0,0009 +2 2 22 214+ ------*0,0012 )+ 0,79*9,585 (Nm3/ Nm3)2[Vh]min= 0,0608 + 0,8619 + 0,1426 + 0,0087 + 0,004 + 0,0045 + 0,0072 +1,7238 + + 0,2139+ 0,0116 + 0,005 + 0,0054+0,0084 + 7,572l [Vh]min= 10,6299 (Nm3Gases combustin hmedos/ Nm3GN)COMBUSTION DEL GAS NATURALVolumen mnimo de gases de combustin secos:l [Vs]min= (%CO2) +(x CxHy ) + 0,79 [Lmin](Nm3/ Nm3)[Vs]min= (0,0608) + (1*,8619 + 2*0,0713 + 3*0,0029 + 4*0,001 +5*0,0009+ 6*0,0012)+ 0,79*9,585 (Nm3/ Nm3)[Vs]min= 0,0608 + 0,8619 + 0,1426 + 0,0087 + 0,004 + 0,0045 ++ 0,0072 +7,572l [Vs]min= 8,6617(Nm3Gases combustin secos/ Nm3GN)COMBUSTION DEL GAS NATURALVolumen mnimo de gas CO2 (Anhdrido carbnico) en los gases de combustin:l [VCO2]min= (%CO2) + (x CxHy )(Nm3/ Nm3)[VCO2]min= (0,0608) + (1*,8619 + 2*0,0713 + + 3*0,0029 + 4*0,001 + 5*0,0009 ++ 6*0,0012)(Nm3/ Nm3)[VCO2]min= 0,0608 + 0,8619 + 0,1426 + 0,0087 + + 0,004 + 0,0045 + 0,0072l [VCO2]min= 1,0897(Nm3CO2/ Nm3GN)COMBUSTION DEL GAS NATURALPorcentaje mximo de gas CO2(Anhdrido carbnico) en los gases de combustin secos:[VCO2]minl [CO2]max= -----------------* 100 ( % )[Vs]min1,0897 (Nm3CO2/ Nm3GN)l [CO2]max= --------------*100 = ---------------------------------------------8,6617 (Nm3Gases combustin secos/ Nm3GN)l [CO2]max= 12,58 ( % )COMBUSTION DEL GAS NATURALVolumen mnimo de gas N2(Nitrgeno) en los gases de combustin:[VN2]min= (%N2) + 0,79 [Lmin] (Nm3/ Nm3)[VN2]min= 0,79*9,585l [VN2]min= 7,572 (Nm3N2/ Nm3GN)Volumen mnimo de H2O (Vapor de agua) en los gases de combustin:[VH2O]min= [Vh]min [Vs]min(Nm3/ Nm3)[VH2O]min= 10,623 8,662l [VH2O]min= 1,961(Nm3H2O / Nm3GN)COMBUSTION DEL GAS NATURALCantidad de aire considerando el exceso de aire:[Lreal] = [Lmin] * (Nm3Aire/ Nm3GN)[Lreal] = 9,585*1,02(2 % de exceso)l [Lreal] = 9,7767 (Nm3Aire/ Nm3 GN)COMBUSTION DEL GAS NATURALClculo del la Cantidad de combustible (gas natural) necesario para una combustin perfecta:Cantidad de calor requerida ( Kcal / h ) Nm3l [Bi] = ----------------------------------------------------------- =----------Poder calorfico inferior (Kcal / Nm3) hl Se necesita determinar la cantidad de gas natural para calentar un horno de Reformacion que requiere de 100.000.000 Kcal/h, para cumplir con su produccin:100.000.000Nm3l [Bi] = ------------------ = --------8648 h[Bi] = 11.563,4 (Nm3/ h)EFICIENCIA DE LA COMBUSTINEFICIENCIA DE LA COMBUSTINPara el Gas NaturalCOMBUSTIBLES LIQUIDOSCARACTERISTICAS DE LOS COMBUSTIBLES LIQUIDOSl Petrleo. Es un lquido viscoso, entre amarillo y pardo obscuro, con reflejos verdes, de olor caracterstico y de densidad comprendida entre 0,8 y 0,95. Resulta de la lenta descomposicinprovocada en pocas geolgicas anteriores, por bacterias, de materias orgnicas (restos de animales y algas microscpicas) acumuladas en el fondo de las lagunas y el curso inferior de los ros, como lo prueba el hecho de que solamente se encuentra en terrenos sedimentarios.CARACTERISTICAS DE LOS COMBUSTIBLES LIQUIDOSl El petrleo bruto sale por los pozos cargado de impurezas (arena, agua, etc.), que se eliminan por decantacin, filtracin, centrifugacin y otros procedimientos. Su composicin vara de una regin a otra.CARACTERISTICAS DE LOS COMBUSTIBLES LIQUIDOSl El petrleo no tiene aplicaciones en estado bruto. Se transporta por oleoductos o por buques petroleros a las refineras donde toda una serie de operacionesde destilacin, fraccionamiento, craking trmico y cataltico etc., permiten separar sus constituyentes.l Los derivados del petrleo son:l gasolinal querosenol gas-oill butanol propanol fuel oilCARACTERISTICAS DE LOS COMBUSTIBLES LIQUIDOSl Viscosidad. Es una de las principales caractersticas tcnica de los combustibles lquidos, que determina el mtodo de duracin de las operaciones de llenado y vaciado, las condiciones de transporte y bombeo, la resistencia hidrulica durante el transporte por tuberas y el trabajo efectivo de los quemadores. La viscosidad depende del tipo de petrleo o derivado y la temperatura, con el incremento de la temperatura la viscosidad disminuye. CARACTERISTICAS DE LOS COMBUSTIBLES LIQUIDOSl La viscosidad se mide en grados Engler en el S.I., tambin se utilizan: Seconds Saybold Universal (SSU), Centistokes, Seconds Saybold Furol (SSF), grados Barbey,.l Temperatura de congelacin. Es la temperatura a la cual se congela el combustible, es decir, la menor temperatura para la cual el combustible fluye.l Temperatura de vaporizacin: Es la temperatura menor en la cual los vapores desprendidos del combustible lquido, en contacto con el aire a la presin atmosfrica, se enciendan en forma instantnea.CARACTERISTICAS DE LOS COMBUSTIBLES LIQUIDOSCOMBUSTION DE UN COMBUSTIBLE LIQUIDOl El poder calorfico de los combustibles slidos y lquidos se puede calcular si se conocela composicin elemental de ellos, con la ayuda de la siguiente formula:l Qi= 8500 C + 2500 S + 27000(H O/8)- 600 W(Kcal/kg)l Donde: C, S, H, O y W, representa en peso al Carbn, Azufre, Hidrgeno, Oxigeno y Agua, resultados del anlisis qumico elemental del combustible.COMBUSTION DE UN COMBUSTIBLE LIQUIDOl El poder calorfico superior del combustible, se puede calcular en funcin del poder calorfico inferior.Qs= Qi+ 600(9H + W) (Kcal/kg)Aire necesario para la combustinl Los combustibles lquidos tiene la composicin elemental:C+H+O+S+...= 1 kgl Donde: C, H, O, S, son las participaciones msicas de Carbn, Hidrgeno, Oxigeno, Azufre, etc.l La cantidad de aire terica necesaria para la combustin o la cantidad mnima de aire necesaria para la combustin completa es:l En base de 1 Kg. de combustible (slido o lquido)COMBUSTION DE UN COMBUSTIBLE LIQUIDOl El Oxgeno mnimo requerido:C HSOOmin=22,41 (------- + ------- + ------- - ------- )124 32 32[Nm3/ Kg]COMBUSTION DE UN COMBUSTIBLE LIQUIDOl El aire mnimo requerido para una combustin perfecta es:1Lmin= ------- OminNm3/ Kg0,21l La cantidad real de aire incluye el exceso de airey se expresa:L = a*Lmin Nm3/ Kgl La cantidad en exceso se determina de:Lreala = -------- * 100 ( %)Lminl El aire en exceso es por lo tanto:Lreal Lmin= (a 1) LminCOMBUSTION DE UN COMBUSTIBLE LIQUIDOl El volumen mnimo de gases hmedos:C H W NSVmin=22,41 (------- + ------- + ------- + -------- + -------- ) 12 4 182832+ 0,79 LminNm3/ Kgl El volumen mnimo de gases secos:C S NVSmin=22,41 (------- + ------- + ------ ) + 0,79 Lmin123228Nm3/ KgCOMBUSTION DE UN COMBUSTIBLE LIQUIDOl El volumen total de los gases de combustin incluye el exceso de aireV = Vmin+ (a 1) LminNm3/ Kgl El volumen total de gases secos:VS= VSmin+ (a 1) LminNm3/ KgCl El volumen de CO2= 22,41 (------) Nm3/ Kg12COMBUSTION DE UN COMBUSTIBLE LIQUIDOl El porcentaje de CO2CO2CO2= --------- * 100 (%)VSNl El volumen de N2= 22,41 (------) + 0,79 * LminNm3/ Kg28l El porcentaje de N2N2N2= --------- * 100 (%)VSHWl El volumen de H2O = 22,41 (------ + -------) Nm3/ Kg2 18l El porcentaje de H2OH2O H2O = --------- * 100 (%)VCOMBUSTION DE UN COMBUSTIBLE LIQUIDOl Ejemplo: Un aceite combustible tiene por anlisis elemental 85 % de C, 14 % de H2y 1 % de S. Se quema con 15 Nm3de aire por Kg. de combustible.Determinar el exceso de aire, el volumen de productos de combustin totales y el volumen de gases de combustin secos y el % de CO2de estos ltimos. Determinar la cantidad de combustible para el horno de Aluminio que requiere 40.000.000 Kcal/hCOMBUSTION DE UN COMBUSTIBLE LIQUIDOl Calculo del poder calorfico inferiorQi= 8500 C + 2500 S + 27000(H O/8)- 600 W (Kcal/kg)Qi= 8500 *0,85 + 2500 * 0,01 + 27000*0,14 (Kcal/kg)Qi= 7225 + 25 + 3780(Kcal/kg)Qi= 11030 (Kcal/kg)l Clculo del poder calorfico superiorQs= Qi+ 600(9H + W) (Kcal/kg)Qs=11030 + 600 *(9*0,14) (Kcal/kg)Qs= 11786 (Kcal/kg)COMBUSTION DE UN COMBUSTIBLE LIQUIDOl El Oxgeno mnimo requerido:C HSOmin=22,41 (------- + ------- +-------) Nm3/ Kg124 320,85 0,14 0,01Omin=22,41 (------- + ------- + -------) Nm3/ Kg124 32Omin= 2,38Nm3/ KgCOMBUSTION DE UN COMBUSTIBLE LIQUIDOl El aire mnimo requerido para una combustin perfecta es:1Lmin= ------- OminNm3/ Kg0,211Lmin= ------- * 2,38Nm3/ Kg0,21l Lmin= 11,33Nm3/ KgCOMBUSTION DE UN COMBUSTIBLE LIQUIDOl La cantidad en exceso se determina de:Lreala = -------- * 100 ( %)Lmin15a = ----------- = 1,32311,33l El volumen mnimo de gases hmedos:C HW N SVmin=22,41 (------- + ------- + ------- + -------- + -------- ) + 0,79 LminNm3/ Kg12 4 182832COMBUSTION DE UN COMBUSTIBLE LIQUIDOC HSVmin=22,41 (------- + ------- + -------) + 0,79 LminNm3/ Kg12 4 320,850,14 0,01Vmin=22,41 (------- + ------- + ---------) + 0,79 *11,33 Nm3/ Kg12 4 32l Vmin= 2,38 + 8,95 = 11,33 Nm3/ Kgl El volumen total de los gases de combustin incluye el exceso de aireV = Vmin+ (a 1) LminNm3/ KgV = 11,33 + (1,323 1)* 11,33 = 15Nm3/ KgCOMBUSTION DE UN COMBUSTIBLE LIQUIDOl El volumen mnimo de gases secos:C S NVSmin=22,41 (------- + ------- + ------ ) + 0,79 LminNm3/ Kg12 32280,850,01VSmin=22,41 (------- + ------- ) + 0,79* 11,33 Nm3/ Kg12 32VSmin= 10,54Nm3/ KgCOMBUSTION DE UN COMBUSTIBLE LIQUIDOl El volumen total de gases secos:VS= VSmin+ (a 1) LminNm3/ KgVS= 10,54 + (1,323 1) * 11,33 Nm3/ KgVS=10,54 + 3,66 = 14,20Nm3/ KgCl El volumen de CO2= 22,41 (------) Nm3/ Kg120,85CO2= 22,41 (--------) Nm3/ Kg12CO2= 1,587 Nm3/ KgCOMBUSTION DE UN COMBUSTIBLE LIQUIDOl El porcentaje de CO2CO2CO2= --------- * 100 (%)VS1,587 CO2= --------- * 100 (%)14,20CO2= 11,18 %COMBUSTION DE UN COMBUSTIBLE LIQUIDONl El volumen de N2= 22,41 (------) + 0,79 LminNm3/ Kg28N2= 0,79 * 11,33 Nm3/ KgN2= 8,95 Nm3/ Kgl El porcentaje de N2N2N2= --------- * 100 (%)VS8,95N2= --------------- *100 = 63,03 %14,20COMBUSTION DE UN COMBUSTIBLE LIQUIDOH Wl El volumen de H2O = 22,41 (------ + -------) Nm3/ Kg2 180,14H2O =22,41 * ------------ = 1,57 Nm3/ Kg2l El porcentaje de H2OH2O H2O = --------- * 100 (%)V1,57 H2O = --------- * 100 = 10,46(%)15COMBUSTION DE UN COMBUSTIBLE LIQUIDOCantidad de combustiblerequerido40.000.000 Kcal / hl [Bi] = ------------------ = -------------11030 Kcal/ Kg[Bi] = 3626,5(Kg / h)RELACIN AIRE/COMBUSTIBLE TEORICA PARA COMBUSTIBLES COMUNESl Gas natural 9,60l Hidrgeno 7,36l Monxido de carbono 7,43l Propano 9,49l Butano 9,72l Fuel oil N 2 9,86l Fuel oil N 6 9,94REGLA NEMOTCNICAl 10 ft3de Aire combustible por 1000BTU de combustible.l 10 Nm3de aire por cada Nm3de gas naturalEFECTOS DEL EXCESO DE AIRE SOBRE EL OXIGENO EN LOS GASES DE COMBUSTINEFICIENCIA DE LA COMBUSTIONl Para cualquier horno, secador o caldera, la eficiencia total de combustin o eficiencia del combustible es 100 % menos la S de todas lasprdidas.Energia de salida utileficiencia = ------------------------------ * 100Entrada brutaEntrada bruta Prdidas totaleseficiencia = -------------------------------------------- * 100Entrada brutaEFICIENCIA DE LA COMBUSTION(Qcomb+ Qaire) - Qhumoseficiencia = ---------------------------------- * 100QcombHi+ (Vaha) Vhhheficiencia = ----------------------------------- * 100HiEFICIENCIA DE LA COMBUSTIONDonde:Qcomb Contenido de calor del combustibleQaire Contenido de calor del aire (Si esprecalentado)Qhumos Contenido de calor de los gases de combustinHi Valor calorfico inferior del combustible Va, Vh Volmen de los fluidos (Aire, Humos)ha, hh Entalpa de los fluidos (Aire, Humos) asus respectivas temperaturasEFICIENCIA DE LA COMBUSTIONl EJEMPLO: Se tiene un horno de reformacion que utilizacomo combustible gas natural que tiene un poder calorficoinferior Qi= 8648 Kcal /Nm3y una gravedad especifica de gn=0,655. Se supone la combustin con 10 % de exceso de aire.Los datos operativos son:- Tempertura de los humos a la salida del horno: 500 C- Para el gas natural utilizado:- Aire mnimo para una combustin perfecta: 9,585- Gases de combustin generados: 10,629 Nm3/ Nm3l Determinar la eficiencia de la combustin para el caso que no se tiene recuperador y despreciando la entalpa del aire a la temperatura ambiente a 28 C. (ver tablas)EFICIENCIA DE LA COMBUSTION1699 406 11001527 365 10001360 325 9001197 286 8001034 247 700875 209 600720 172 500KJ/Nm3Kcal/Nm3de los humos CEntalpa Entalpa TemperaturaENTALPIA GASES DE COMBUSTIONEFICIENCIA DE LA COMBUSTION816 195 600962 230 700674 161 500536 128 400398 95 300264 63 200130 31 10025 6 20KJ/Nm3Kcal/Nm3del Aire CEntalpa Entalpa TemperaturaENTALPIA AIRE HUMEDOEFICIENCIA DE LA COMBUSTIONl De la relacin:Hi+ (Vaha) Vhhh? = ----------------------------------- * 100HiHi= Qi= 8677 Kcal/Nm3Vh= 10,629 * 1,1 = 11,69 Nm3/ Nm3hh@ 500 C = 172 Kcal / Nm3de la tabla(8648 11,69 * 172 )Kcal/ Nm3? = ----------------------------------------- * 100 = 76,74 %8648 Kcal/ Nm3EFICIENCIA DE LA COMBUSTIONl Si se tiene incorporado un recuperador en el horno, la eficiencia de la combustin con aire precalentado a 400 C sera:Hi+ (Vaha) Vhhh? = ----------------------------------- * 100HiVa= 9,585 * 1,1 = 10,54 Nm3/ Nm3ha@ 400 C = 128 Kcal / Nm3de la tabla(8648+10,54*128 - 11,69 * 172 )Kcal/ Nm3? = ------------------------------------------------------ * 100 =8648Kcal/ Nm3EFICIENCIA DE LA COMBUSTION? = 92,32 %l El ahorro de combustible con el recuperadores:(92,32 76,74) % = 15,58 %EFICIENCIA DE LA COMBUSTINEN EL CALOR DISPONIBLEREGLA NEMOTECNICAl El calor disponible crece un 2,6 % por cada 100 F (37,7 C) de incremento de la temperatura del gas combustible.l El calor disponible crece un 1,75 % por cada 100 F(37,7 C) de incremento de la temperatura del aire de combustin.l La temperatura de los gases de combustin (~ Temperatura de llama adiabtica) crece unos 200 F (93,3 C) por cada 1 % de O2contenido en los combustiblesl Para la combustion estequiomtrica del GN, Propano, Butano, Fuel-oilsPROCESOS DE CALENTAMIENTOl La mayor parte ( >80 %) del calor suministrado para el calentamiento de los hornos se obtiene de la combustin de los combustibles.l El promedio de la eficiencia trmica de muchos procesos de calentamiento est en un rango de 30 a 70 %.l La eficiencia del sistema de calentamiento depende de:l Eficiencia de la combustinl Eficiencia de la transferencia de calorl Control del procesol Control de las emisionesQU ES EL CALOR DISPONIBLE?QU ES EL CALOR DISPONIBLE?l Es la cantidad bruta de calor liberado dentrode una cmara de combustin, menos lasprdidas por los gases de combustion (secos, hmedos).l Representa la cantidad de calor remanentepara calentamiento til de las superficies intercambiadoras de calor, mas las prdidaspor las paredes, calor almacenado y aberturas.QUE ES EL CALOR DISPONIBLE?CALOR DISPONIBLE = A BA - B% CALOR DISPONIBLE = ----------A A CALOR DE ENTRADA BRUTAB CALOR PERDIDO EN LOS GASES DECOMBUSTINDONDE SE USA EL CALOR DISPONIBLE?l Para calentar las superficies intercambiadoras de calorl Incremento de la temperatura del agua y del vapor y del aire de combustin l Prdida por las paredesl Prdida por las aberturas (Radiacin) y enfriamiento.l Calor almacenado en las paredesl Otras prdidasFACTORES QUE AFECTAN EL CALOR DISPONIBLE?l Temperatura de los gases de combustin sobre el hogar y las superficies intercambiadoras de calor.l El exceso de aire (u oxgeno) en los gases de combustin.l Temperatura del aire de combustin precalentadol Oxgeno en el aire de combustinl Tipo de combustible (composicin)?Q = m Cp?T (BTU) ; (KJ) ; (Kcal)m masa de los gases de combustin (Kg.) ; (lb)Cp Calor especfico de los gases (BTU/lb F) ; (KJ/Kg C) ; (Kcal/Kg C)?T = Tgases de combusti n Tambiente(C) CALOR DISPONIBLE PARA GAS NATURALCALOR DISPONIBLE POR COMBUSTIBLES GASEOSOSMAXIMIZACIN DEL CALOR DISPONIBLEl Combustin completa minimizar la presencia de inquemados (CO, H2, etc.) en los gases de combustin.l Minimizar el exceso de aire en cualquier relacin de combustin. Mximo un 10 % de exceso es comn.l Usar aire precalentado, cuando la temperatura de los gases de combustin sea > 1400 F ( 760 C)l Reduccin del flujo de masa de los gases de combustinl Minimizando el exceso de airel Reduciendo / controlando el aire infiltrado en el hogar y entre las superficies intercambiadoras de calorMAXIMIZACIN DEL CALOR DISPONIBLEl Lograr que la temperatura de los gases de combustin sean lo ms baja posible a la salida.l Aprovechando la recuperacin de los gases de combustin.l Maximizando la transferencia de calor sobre las superficies intercambiadoras de calor.l Controlando la temperatura de salida de los gasesl Uso del precalentamiento de los combustibles de bajo poder calorfico.l Evitar el alto exceso de aire en la operacin de quemadores de alta relacin Turn-downMINIMIZACION DE LAS PERDIDAS DE LOS GASES DE COMBUSTINl Reducir el flujo de masa de los gases de combustin.l Combustin estequiomtrica incompleta.l Eliminar el aire infiltrado en los hogares y superficiesl Usar aire precalentadol Reducir la temperatura de los gases de combustin.l Mejorar la transferencia de calor en el hornol Usar los gases de combustin para recuperar calor (precalentadores de aire o combustible)?Qgc= mgc* Cp*(Tgc Tambiente)CALCULO DE CALOR DISPONIBLEACTUALNUEVO71 66,5 Calor disponible (%)100 100 Temperatura aire de combustin (F)9,61 37,47 Exceso de aire (%)900 900 Temperatura gases de combustin (F)2 6 % de Oxigeno en los gases de combustinVer Grficas SiguientesEFECTOS DEL EXCESO DE AIRE SOBRE EL OXIGENO EN LOS GASES DE COMBUSTINCALOR DISPONIBLE PARA GAS NATURALSISTEMAS DE COMBUSTION, HORNOS Y SUS CONTROLESDEFINICION DE HORNOl Es un dispositivo usado para transferir calora un fluido de proceso, o una carga. El calores generado por la combustin del combustible en el hogar o zona radiante del horno, debidamente aislado y posteriormente absorbido por el fluido o la carga.l En el caso de OI, el fluido pasa a travs de una serie de tubos dentro del horno.COMPONENTES PRINCIPALES DE UN HORNOl QUEMADORESl HOGARl TUBOSl CHIMENEACOMPONENTES PRINCIPALES DE UN HORNOl QUEMADORES: Usados para la mezcla controlada del gas combustible y el aire (reaccin de combustin)Combustible + Aire (21 % O2+ 79 % N2)CO2+ H2O + N2+ Calorl HOGAR: Es el conjunto formado por estructura, refractario y soportes que permiten mantenerlos tubos en posicin.COMPONENTES PRINCIPALES DE UN HORNOl TUBOS: Una serie de tuberas recta conectadas por codos de retorno, por donde circula el fluido a calentar.l CHIMENEA: Parte cilndrica que transporta los gases de combustin hacia la atmsfera. Tambin se encarga de provocar el tiro adecuado.ZONAS DE TRANSFERENCIA DE CALOR DE UN HORNOl ZONA RADIANTE: Es la seccin donde se encuentran ubicados los quemadores, es decir, donde se genera la llama. En esta zona, el calor generado es transferido por radiacin.l ZONA CONVECTIVA: Es la zona donde los gases de combustin atraviesan los bancos de tubos y donde el calor es transferido principalmente por conveccin.TRANSFERENCIA DE CALOR POR RADIACINFuente: Improving Thermal Efficiency in Process Heating Equipment TRANSFERENCIA DE CALOR POR RADIACINl La radiacin se origina entre las superficiesslidas y ciertos gases de combustin (por ejemplo H2O y CO2) a alta temperatura (>1000 F).l El contacto con los gases calientes no es necesario para la transferencia de calor por radiacin.l Es muy importante la funcin de la fuente de temperatura (slido o gas)DIAGRAMA DE FLUJO DE CALOR EN UNHORNO3 Y 6 - CONVECCION1, 5 y 7 RADIACIONDESDE 34 RADIACION DESDE7.9 MOLECULA DE GASRADIA A 2 y 8Fuente: Hornos Industriales Vol I. de W. Trinks et altFACTORES QUE AFECTAN LA TRANSFERENCIA DE CALOR POR RADIACINl Fuente de temperatura (Paredes de los hornos, llama, tubos, etc.)l Receptor de temperatura (Tubos, ambiente circundante, agua de enfriamiento de superficies, etc.)l Emisividad de la fuentel Absortividad del receptor (En algunos casos igual a la emisividad)l Posicin relativa entre la fuente y el receptorCANTIDAD DE CALOR TRANSFERIDA POR RADIACINQR= s*e*Fa*A*(Tf4 Tr4)Donde:QR= Cantidad de calor transferido (BTU/h); (KJ/h)s = Cte de Stefan-Boltzman 0,1713x10-8BTU/h ft2R4(5,67x10-8W/m2K4); (4,88x10-8Kcal/hm2K4)e = Emisividad de la superficie fuente(0< e