HORNOS DE PROCESO
HORNOS DE PROCESO
IMECO-06-015-001
CONTENIDO
1. Conceptos básicos de la Combustión. 2. Equipos de Combustión. 3. Elementos claves de la combustión. 4. Analizadores de gases de combustión. 5. Medición de tiro. 6. Aspectos ambientales 7. Ajuste y sintonía de Hornos y Calderas.
8. Quema Dual. 9. Elaboración de curvas de Optima operación 10. Formación de coque en los tubos y decoquizado. 11. Salvaguardas. 12. Problemas y soluciones mas frecuentes presentados en la
operación de hornos
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1. CONCEPTOS BÁSICOS DE LA COMBUSTIÓN
QUE ES LA COMBUSTIÓN ?
Quema controlada de un combustible
Reacción de oxidación de carácter exotérmico entre combustible y comburente.
Combinación rápida del oxígeno con un combustible existiendo además un desprendimiento de calor.
LOS TRES
ELEMENTOS
DEBEN ESTAR
PRESENTES
PARA QUE
EXISTA
COMBUSTIÓN
SI ALGUNOS DE
LOS TRES
ELEMENTOS
FALTA, LA
COMBUSTIÓN
NO SE DA
FUENTE DE IGNICIÓN
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DEFINICIÓN:
Por combustión, en el sentido mas, amplio se define como
una reacción química, exotérmica, que se realiza con una
determinada velocidad, con producción de radiaciones no
necesariamente en el espectro visible, y que se desarrolla en
fase gaseosa o heterogénea.
¿CÓMO SE DA LA COMBUSTIÓN?
… Y TODO VIENE EN PAQUETES
DE A TRES …
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• Combustible
• Oxigeno
• Ignición
COMBUSTIBLE • Sustancia capaz de combinarse con un agente
oxidante produciendo calor. Estas sustancias son, en la industria en general, hidrocarburos, estos contienen en su estructura molecular hidrógeno y carbono, y en el caso de los combustibles líquidos y sólidos, algo de azufre.
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SÓLIDOS
• SÓLIDOS NATURALES: MADERA Y RESIDUOS VEGETALES TURBAS LIGNITOS HULLAS ANTRACITA
• SÓLIDOS ARTIFICIALES: COQUES AGLOMERADOS, BRIQUETAS CARBON VEGETAL.
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LIQUIDOS DERIVADOS DEL PETROLEO
GASOLEOS
ACPM
FUEL OIL 2, 6, ETC..
RESIDUOS
ACEITE INDUSTRIAL PARA CALDERAS.
EMULSIONES (AGUA HIDROCRABUROS)
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• ESPECIFICACION DE COMB. LIQUIDOS
RELACIÓN C/H2 DENSIDAD VISCOSIDAD A DOS TEMPERATURAS. PUNTO DE INFLAMACION PUNTO DE BURBUJA PODER CALORIFICO INFERIOR (LHV) CONTENIDO DE CENIZAS CONTENIDO DE AZUFRE CONTENIDO DE METALES ACIDEZ TEMPERATURA DE ALMACENAMIENTO
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GASEOSOS: NATURAL
LICUADOS DEL PETROLEO (GLP)
ARTIFICIALES (GAS DE REFINERÍA)
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OXIGENO
• Es una sustancia oxidante que puede hacer entrar en combustión un cuerpo combustible.
• Normalmente el oxigeno lo obtenemos del aire que respiramos. Este contiene cerca de 21% de O2 y 79% de N2.
• El aire en condiciones estándar tiene una densidad de 0.0075 lb/pie cúbico.
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Temperatura de ignición
• La temperatura de ignición es la temperatura a la cual se produce la reacción entre el combustible y el oxigeno generando calor, siendo la energía liberada en este proceso lo suficientemente alta para mantener esta condición de la reacción misma, es decir, mantener el proceso de la combustión.
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COMBUSTIBLES Y COMBURENTES
Los combustibles pueden ser de diferente procedencia ( sólidos, líquidos, gaseosos) aunque todos tienen una composición fundamental de carbono, hidrógeno y azufre como elementos combustibles y de otros elementos como nitrógeno, oxígeno y metales.
El comburente es el oxígeno, el cual es principalmente aportado por el aire.
Recordemos
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LAS TRES CONDICIONES BÁSICAS
• Mezclar el aire con el combustible.
• Elevar la temperatura de la mezcla.
• Dar espacio (TIEMPO) para que se de la reacción.
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• Turbulencia
• Temperatura
• Tiempo
LAS TRES T DE LA COMBUSTIÓN
MECÁNICA DE LA COMBUSTIÓN
• Precombustión.
• Combustión.
• Postcombustión.
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• El aire debe suministrarse de tal manera que este entre en contacto íntimo con el combustible.
• La cantidad de aire debe ser tal que suministre la cantidad de oxigeno suficiente para completar la combustión (Aire estequiométrico)
PRECOMBUSTIÓN: Requerimientos de aire
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• Los gases se componen de moléculas que se mueven a altas velocidades (1500 pies/segundo, para el metano y el oxigeno a condiciones estándar).
• Las moléculas chocan de manera continua, reaccionando químicamente de manera ocasional.
PRECOMBUSTIÓN: Mezcla de aire y combustible
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• Un incremento en la temperatura incrementa el numero de colisiones y reacciones.
• Con el aumento de la temperatura, el numero de las colisiones y de las reacciones llega a un valor crítico que provoca la ignición. Tenemos Combustión !!!!
CONDICIONES QUE PROVOCAN LA COMBUSTIÓN
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REACCIÓNES DE LA COMBUSTIÓN
• Cuando el combustible y el aire se combinan en una reacción de combustión (con presencia de llama), la energía liberada se emplea en las siguientes formas:
• Calentar la reacción
• Radiar energía desde la llama a los alrededores
• Entregar energía por convección a los alrededores
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• Reacción de la combustión simplificada
Carbón + oxigeno dióxido de carbono + calor
C + O2 CO2 + Calor de combustión
Hidrógeno + oxigeno vapor de agua + calor
H2 + ½ O2 H2O + Calor de combustión
Azufre + oxigeno dióxido de sulfuro + calor
S + O2 SO2 + Calor de combustión
REACCION DE LA COMBUSTIÓN
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• Características del combustible (Poder Calorífico)
Poder calorífico bajo LHV (lower heating value MJ/kg, fuel)
Poder calorífico alto HHV (incluye el calor de condensación) Higher heating value
MJ/kg, fuel)
• Características del comburente (Aire)
Aire estequiométrico: Es la cantidad de aire requerida para lograr una combustión “perfecta”
REACCION DE LA COMBUSTIÓN
Recordemos
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LHV APORTE
BTU/pie3 (LHV*%VOL)/100
Hidrógeno, H2 274 55 151
Metano, C1 909.1 36 327
Etano, C2 1617.8 1 16
Etileno, C2= 1499 1 15
Propano, C3 2316.1 1 23
Propileno, C3= 2182.7 0.5 11
i-Butano, iC4 3001.1 1 30
n-Butano, nC4 3010.4 0.5 15
Butileno, C4= 2679.4 2 54
Pentano, C5 3698.3 2 74
716
TOTAL, % VOL 100
LHV MEZCLA
% VOLCOMPUESTO
PODER CALORIFICO DE MEZCLAS
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DIFERENTES TIPOS DE COMBUSTIÓN
• Perfecta (completa)
• Incompleta
• “explosiva”
• Se tienen las proporciones adecuadas de aire y combustible. Por lo tanto se alcanza una reacción de combustión perfecta.
CH4 + H2O + IGNICIÓN CO2 + 2H2O + CALOR
COMBUSTIÓN PERFECTA
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• Exceso de aire (mezcla oxidante)
• Exceso de combustible (mezcla rica)
OTRAS CONDICIONES PARA LA COMBUSTIÓN
EXCESO DE AIRE
• Mezcla oxidante:
CH4 + 3O2 + IGNICIÓN CO2 + 2H2O + O2 + CALOR
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EXCESO DE AIRE
P.EJ: Se tiene un % Vol. O2 = 2% Cual sería Exceso de Aire? N = 1.10
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4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
50 100 150 200 250 300 350
1
3
5
7
400
Loss
%
Stack Temparature
% O2 in Flue Gas
Pér
did
as, %
% O2 en Gas de Chimenea
Temperatura de Chimenea [°C]
T° CHIMENEA – PÉRDIDAS, %
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Stack Loss: m flue x C p x T stack Pre-calor Externo
100 %
2-3 % 50-60 %
8-12 %
Pérdidas a
través de pared
5-15 %
Fuel m fuel x LHV °
°
Duty de celda radiante
25-35 %
Pérdidas-chimenea
DIAGRAMA DE SANKEY
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EFICIENCIA
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EFICIENCIA
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EFICIENCIA
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• Mezcla rica:
CH4 + O2 + IGNICIÓN H2 + OH + H2O + CO2 + 2CO
EXCESO DE COMBUSTIBLE
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Un ejemplo de combustión se puede ver cuando se quema un
Hidrocarburo gaseoso simple como el Metano (CH4).
El carbono se combina con el Oxígeno del aire justo, para formar
dióxido de carbono (CO2). El Hidrógeno se combina con el
Oxígeno exacto y forma agua (H2O). Este tipo de combustión, se
llama Combustión completa y perfecta.
CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O
Sin embargo, en la realidad la reacción que se da comúnmente es:
CH4 + 3O2 CO2 + 2H2O + O2
Como se ve, hay mas oxígeno del necesario. Se dice que el horno
trabaja con exceso de oxígeno. Esta reacción es de Combustión
Completa pero no perfecta.
Si el aire de carga es insuficiente o se mezcla insuficientemente
con el combustible, reaccionará parte del carbono para formar
monóxido de carbono (CO). Esta combustión es Combustión
incompleta:
3CH4 + 5O2 CO2 + 6H2O + 2CO
Recordemos
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GASES DE COMBUSTIÓN: Los gases producidos por la llama y que se
encuentran fuera de la misma se denominan productos de la combustión.
Combustión completa, su composición esencial es a base de CO2, vapor
de agua y N2 del aire combustible, llevando además Oxígeno del exceso,
Anhídridos de azufre (debido al combustible), óxidos de Nitrógeno y de
otros metales del combustible, así como los gases nobles aportados en
pequeñas proporciones por el aire comburente.
Combustión es incompleta, se tendrán los productos de la combustión,
más el CO, Hidrógeno y dependiendo del combustible, metano, etc.
La presencia de vapor de agua en los productos de combustión, formado en
la propia combustión y aportado adicionalmente por el aire y el combustible,
hace que exista un punto de rocío de los productos de la combustión. Éste
es un factor bastante importante cuando se analiza la corrosividad de los
gases de combustión, especialmente si hay compuestos azufrados
presentes como el H2S.
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DEFINICIONES Y CONSIDERACIONES
• Energía mínima de ignición
• Límites de combustibilidad
• Temperatura de llama
• Velocidad de llama
• Calor disponible
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ENERGÍA MÍNIMA DE IGNICIÓN Y LÍMITES DE COMBUSTIBILIDAD
• Energía a la cual se rompen los enlaces químicos de la mezcla aire – combustible original formando compuestos intermedios altamente reactivos que desencadenan una serie de reacciones con gran liberación de energía.
• Son los límites en los cuales diferentes proporciones de mezcla aire/combustible pueden mantener el proceso de combustión
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TEMPERATURA DE LLAMA
• Es la medida de la energía liberada por la reacción química entre el aire y el combustible. Algunos aspectos a tener en cuenta son:
• Temperatura máxima teórica
• Pérdidas
• Componentes
• Disociación
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APAGADO DE LA LLAMA
ALDEHYDOS, ACIDOS Y MONOXIDO DE CARBONO
Area apagada
Area apagada
AIRE
AIRE
Area apagada
Area apagada
AIRE
AIRE
Area apagada
Area apagada
AIRE
AIRE
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VELOCIDAD DE LA LLAMA
• Es también conocida como rata de propagación de la reacción
• La reacción ocurre en la zona llamada el frente de la llama.
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Velocidad de la mezcla vs. Velocidad de la llama
NG=1ft/s air, (15ft/s-oxy)
PR=2.8ft/s air, (22ft/s-oxy)
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FACTORES QUE AFECTAN LA VELOCIDAD DE LA LLAMA
• Temperatura
• Proporción aire/combustible
• Grado de turbulencia
• Efectos refrigerantes de los alrededores
• presión
• Turn Down, permite trabajar a mayor o menor velocidad de llama.
• Entre mas rico el combustible se trabaja a mayores velocidades de llama.
Lo anterior puede producir llamas mas largas
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