Combustibles 3s723y

Tipos de Combustibles

CLASIFICACION Los combustibles normalmente utilizados en la industria pueden clasificarse: -Según su estado natural: -Combustibles naturales: se les encuentra en la naturaleza y antes de su utilización solo se efectúan tratamientos mecánicos o físicos: Carbón (molienda, lavado, secado) Gas natural (depuración)

Petróleo (destilación). Madera.

-Combustibles manufacturados. Obtenidos por tratamiento químico de los anteriores. Gas de gasógeno, coke, carbón vegetal … -Según su estado de agregación: -Combustibles sólidos: los carbones (antracita, hullas lignito, turba) el coke, la madera. -Combustibles líquidos: gas-oil, fuel-oil, petróleo, gasolinas, … -Combustibles gaseosos: gas natural, gases licuados del pretóleo gases manufacturados.

COMPOSICION GENERAL. a) Esencialmente por carbono (C) e hidrógeno (H2)sea en forma libre o combinada en forma de hidrocarburos. b) Azufre, si bien esta especie no se tolera mas que en pequeños porcentajes debido a los efectos perjudiciales de sus compuestos con oxígeno. c) Oxígeno, que puede encontrarse bien inicialmente fijado al carbono e hidrogeno, bien presente en estado libre en el combustible (caso de las mezclas aire-propano por ejemplo). d) Inertes como son la humedad, las cenizas el CO2 y el nitrógeno. Respecto a la humedad, hay tres tipos de ésta: -

Humedad bruta; es la humedad superficial de un combustible. Esta humedad puede tomar valores muy diferentes para un mismo combustible, dependiendo de las condiciones atmosféricas.

-

Humedad higroscópica o especifica; que es constante para un combustible. Aunque no esta unida químicamente solo se desprende al calentar por encima de 100°C.

-

Humedad de combinación o constitución; es el agua unida químicamente y no se desprende por secado, se le supone queda en cenizas.

LOS COMBUSTIBLES SOLIDOS. CARBONES. El término carbón es sinónimo de "rocas sedimentarias combustibles", las cuales pueden ser desglosadas en función del grado de evolución Así, en orden decreciente se distinguen: . Grafito-antracita. . Hullas. . Lignitos: Negro o Pardo . Turbas. La composición de las rocas combustibles esta formada básicamente por: .Una matriz de materias orgánicas variable según su grado de evolución y su origen. .Materias minerales. Análisis inmediato -

Humedad total. La humedad superficial y la de composición se pueden eliminar, la de constitución está retenida químicamente. Efectos:

-Disminuye el poder calorífico inferior. -Aumenta el volumen de humos. -Disminuye el rendimiento. -Disminuye la capacidad de los elementos de molienda. -Provoca dificultades en mantenimiento sobre todo en caso de hielo.

- Cenizas. Son impurezas minerales. Efectos:

- Descenso de rendimiento debido a un aumento de las pérdidas por inquemados - Descenso del poder calorífico - Pérdida de calor sensible hacia el cenicero, - Mayores depósitos que ocasionan resistencias térmicas al paso del calor. - Necesidad de un mantenimiento más acusado del equipo - Usura mayor en los equipos de mantenimiento, molienda y en los intercambiadores situados en el circuito de humos.

Las características a vigilar en las materias minerales serán: - Los puntos de fusión (Na, K, Fe, Ca) y la aptitud a la vaporización (C1, Na). - El contenido de componentes abrasivos, sílice (cuarzo), alumina, oxido de hierro. - La aptitud a separarse en los eliminadores - Materias volátiles. Formadas por una parte combustible (compuestos hidrocarbonados gaseosos, compuestos hidrocarbonados condensables, CO, H2, ...) y una parte no combustible (CO2, SO2, NOx ..., y condensables como H2O, SO3). Se determina calentando la muestra seca sin aire a 955ºC en horno mufla durante 7 min.

- Carbono fijo. El carbono fijo es la fracción residual del carbón, en tanto por ciento viene dada por: Carbono fijo = 100 - humedad materias volátiles – cenizas

Combustible

% Volátiles

% Humedad

% Cenizas

PCI (Kcal/kg)

<8

2–8

4 –12

8450

8 - 14

2–8

4 –12

8450

¼ Grasas

12 – 16

1 – 10

4 - 10

8580

½ Grasas

13 – 20

1 – 10

4 – 10

8590

¾ Grasas

18 – 27

1 – 10

4 – 10

8560

Grasas

27 – 40

1 – 10

4 – 10

8390

Grasas llama Larga

30 - 40

1 –10

4 – 10

8110

Secas llama Larga

< 34

1 – 10

4 – 10

7800

Aglomerados

7 - 17

5 - 20

2 - 25

Bituminosos

40 - 50

Poco

<3

6500

Seco (común)

40 – 50

4 – 10

4 – 10

5000

Terrosos

40 – 50

5 – 13

5 – 10

4800

Fibrosos

40 - 50

30 - 50

5 - 15

3000

Metalúrgico

1–3

3–6

7 – 15

6900

De gas

2–5

7 – 10

9 – 15

6500

Semicoque

< 10

2

11 – 12

6950

1. Antracitas Antracita Magros antrac. 2. Hullas

3. Lignitos

4. Coque

LOS COMBUSTIBLES LIQUIDOS. DERIVADOS DEL PETROLEO. Los combustibles líquidos derivados del petróleo son una mezcla de una variedad infinita de moléculas que contienen básicamente hidrógeno y carbono. Composición - Elementos capaces de oxidarse: Carbono, Hidrógeno, Azufre (en débil proporción). - Una pequeña proporción en comburente (oxígeno). - Una pequeña proporción de nitrógeno. - Trazas de metales (vanadio, sodio, níquel …) en p.p.m. -Agua; procedente del exterior, no como constituyente propiamente dicho, dada la ínfima tasa de solubilidad de los combustibles líquidos. Propiedades Físicas. -Densidad. Dada a 15°C, para otras temperaturas

ρ a T (kg / m ) = ρ15º C − k (T − 15) 3

puede servir para efectuar cálculos aproximados de otros parámetros así:

PCS ( Kcal / kg ) = 12400 − 2100 ρ 2 PCS − PCI = 54 (26 − 15 ρ ) + 6 ⋅ (% Humedad ) c p ( Kcal / kg º C ) =

1

ρ 1/ 2

(0.403 − 0.0008 T )

-Viscosidad. Esta es una magnitud que caracteriza la fluidez del combustible en caliente. Sirve para determinar las pérdidas de carga, así como las condiciones de pulverización. Dependencia con la temperatura: log10 (υ + 0.7) = A ⋅ log10 T + B Se mide en m2/s ó en Stokes (st)

1 m2/s = 104 st

-Punto de inflamación. Inflamabilidad Se conoce como punto de llama a la temperatura a la cual el combustible produce suficiente cantidad de vapores para que la mezcla de estos con el aire sea capaz de inflamarse al o con uno llama piloto. La combustión que se produce es efímera y desaparece cuando se retira la llama piloto. Si la combustión se produce de forma espontánea, sin llama piloto, tenemos el punto de inflamación. No puede almacenarse un producto a una temperatura superior a su punto de inflamación, siendo los valores usuales de este, para los combustibles industriales, 65 – 70 ºC. -Fluidez crítica. Temperatura por debajo de la cual, la formación de cristales en el combustible impide su movimiento.

Propiedad Química -Residuo Conradson Resto carbonoso que se obtiene a partir de un ensayo de carbonización y pirólisis (destilación) del combustible, en el que se produce la combustión de los vapores formados. Es un índice de la capacidad de formar inquemados sólidos y obturación de quemadores. Clasificación -Clase A.- Hidrocarburos cuya presión de vapor, a 15ºC, es superior a 98 kPa (metano, propano, butano). -Clase B.- Hidrocarburos cuyo punto de inflamación es inferior a 55 ºC y no están comprendidos en la clase A (gasolinas, disolventes...). -Clase C.- Hidrocarburos cuyo punto de inflamación está comprendido entre 55 y 120ºC (gasóleos, fuelóleos). - Clase D.- Hidrocarburos cuyo punto de inflamación es superior a 120ºC (asfaltos, lubricantes).

En generación industrial del calor, se emplean los de clase “C”, que se pueden clasificar: -En fuelóleos Fuelóleo pesado n.1, únicamente utilizable en quemadores de potencia superior a 580 kW (500.000 Kcal/h). Fuelóleo pesado n.1 BIA (bajo índice de azufre). Fuelóleo pesado n.2, únicamente utilizable en quemadores de potencia superior a 1160 kW (1.000.000 Kcal/h). Fuelóleo pesado n.2 BIA (bajo índice en azufre). -En gasóleos Gasóleo A, utilizado en automoción. Gasóleo B, de calidad igual al anterior, cuenta con una bonificación de precio por estar destinado al uso en agricultura y pesca. Gasóleo C, de calidad inferior, es utilizado en generadores de calor de cualquier potencia térmica.

LOS COMBUSTIBLES GASEOSOS COMPOSICION Componentes combustibles como: -Hidrógeno. -Monóxido de carbono (CO) -Hidrocarburos saturados (metano, etano, propano, butano e isobutano, pentano, y excepcionalmente vapor de exano). -Hidrocarburos no saturados; etileno (C2H4), propeno o propileno (C3H6), buteno (C4H8). -Hidrocarburos no saturados no identificados en análisis (CnHm). - Eventualmente oxígeno comburente en pequeña proporción - Eventualmente gases inertes en pequeña proporción (CO2, N2).

TIPOS DE GASES COMBUSTIBLES - El gas manufacturado. Este fué el primero en utilizarse fabricado a partir de la destilación del carbón (pirogenación de hullas), mediante el calentamiento del carbón, siendo el llamado gas manufacturado los productos volátiles de esta destilación (procedimiento tradicional). La industria del gas lo fabrica actualmente por tratamiento (reorganización y cracking) de productos petroleros. Los productos que lo componen son: • Monóxido de carbono (CO), lo que les da un carácter tóxico. • Hidrógeno, hasta una proporción del 50% . • Metano . • Pequeñas proporciones de CO2, N2, O2 e hidrocarburos. - El gas natural Proviene de los yacimientos naturales subterráneos o submarinos y son producto de la descomposición de la materia orgánica bajo grandes presiones.

Composición Combustibles gaseosos

-Gases licuados del petróleo (GLP) Se denominan así al butano y propano comerciales, que provienen del refinado del petróleo, pero estos también están presentes en cantidades moderadas en los yacimientos de gas natural y son recuperados en la preparación de éste antes de su transporte. Tanto el propano como el butano comercial son expedidos en forma de líquidos (en recipientes), aunque en algunos casos también se suministran en fase gaseosa y también mezclas de ambos con aire, como sustitutos del gas natural (aire propanado 15,6) o de los gases manufacturados (aire propanado 7,5 y aire butanado 7,3). El butano y el propano denominados comerciales no son cuerpos puros sino mezclas, así el propano comercial contiene propano y hasta un 30% de propeno (C3H6), mientras que el butano comercial posee butano puro y buteno (C3H8). Como en el caso de los gases naturales, están exentos de monóxido de carbono, por lo que no son de carácter tóxico. -Gas de alto horno Este es un subproducto de los procesos siderúrgicos, de un bajo poder calorífico, por lo que no suele compensar los gastos de transporte y se le utiliza "in situ", bien en centrales térmicas próximas, bien en los propios procesos del alto horno. La composición del gas de alto horno contiene del orden del 65% de CO+N2 (con un porcentaje de CO del 25% aproximadamente), además su contenido en H2 es muy pequeño (menor al 5%), lo que explica su débil contenido energético.

PROPIEDADES DE LOS COMBUSTIBLES GASEOSOS - Densidad Densidad relativa de un gas respecto al aire es la relación entre las masas volumétricas del gas y del aire tomadas en las mismas condiciones de presión y temperatura, esta propiedad lógicamente es adimensional. La densidad es un parámetro importante de cara a la ventilación de locales, los gases manufacturados y el gas natural son mas ligeros que el aire (la ventilación deberá realizarse por las zonas altas), mientras que el GLP y sus mezclas son mas pesados. La masa volumétrica y la densidad intervienen en otros cálculos como las pérdidas de carga en canalizaciones y los índices de intercambiabilidad. -Poder calorífico La relación entre el poder calorífico superior y el inferior depende de la proporción de los elementos, carbono e hidrógeno, a pesar de esto se encuentra, que para gases, esta relación es siempre próxima a un valor de 0.9. El poder calorífico se expresa, en gases, en kW.h/m3N, sin embargo este valor no tiene mucho sentido para el propano y butano comerciales en estado liquido, por lo que en estos casos se expresa por unidad de masa.

-Temperatura de inflamación. Limites de inflamabilidad. La temperatura de inflamación es el valor mínimo al cual debe ser llevado un punto de una mezcla inflamable de gas combustible y comburente, para que la combustión pueda comenzar y propagarse. También se le conoce como temperatura de ignición o de autoinflamación. La combustión de un gas combustible necesita la presencia de aire comburente (no se considera la combustión con oxigeno puro). Considerando todas las posibles mezclas caracterizadas por el contenido en gas respecto a la mezcla homogénea, por ejemplo desde 0% (aire puro) a 100% (gas puro), se observa que la combustión no puede darse y propagarse mas que dentro de una zona comprendida entre esos valores extremos, esta zona es conocida como zona de inflamabilidad, cuyos limites son: El limite inferior, por debajo de este valor hay demasiado aire en la mezcla para que la combustión pueda desarrollarse. El limite superior, por encima de este valor no hay bastante aire comburente para que la combustión se produzca.

LIMITES INFLAMABILIDAD GAS

Por relación en V L.I.

Por factor de aire

L.S.

L.I.

L.S.

NATURAL Drenthe Skida Lacq Efosik Arzew Groningue

5,4 5,2 5,1 4,8 4,8 6,0

14,6 14,2 14,0 13,7 13,7 15,7

1,87 1,88 1,92 1,86 1,86 1,87

0,62 0,62 0,63 0,59 0,59 0,64

G.L.P. Propano C. Butano C. Aire prop.(7,6) Aire prop(15,6) Aire But. (7,3)

2,4 1,8 8,7 4,2 10,5

9,3 8,8 33,8 16,5 37,7

1,75 1,67 1,85 1,78 1,71

0,43 0,42 0,35 0,40 0,33

MANUFACT. De cockeria(5,6)

4,6

32,0

4,77

0,49

INTERCAMBIABILIDAD DE GASES COMBUSTIBLES Se dice que dos gases son intercambiables cuando en un equipo determinado dan llamas idénticas sin cambiar la regulación y geometría de los quemadores. Así, por ejemplo, para un quemador de aire inducido por el gas es preciso tener: • La misma estabilidad de llama, ausencia de despegue de llama (para todos los quemadores) y para los de premezcla ausencia de retorno de llama. • Idéntica calidad de combustión (relación de volúmenes de CO y de CO2 inferior al máximo itido). • El mismo rendimiento de combustión. • El mismo poder comburivoro y la misma temperatura de rocío en humos. • El mismo factor de aire en la combustión. Para determinar la intercambiabilidad se utiliza: -El índice de Wobbe.

Wp =

PCS

(ρ r )1 / 2

FAMILIA

PCS (Kcal/m3N)

PRIMERA Gas manufacturado

4200

SEGUNDA Gas natural Metano puro

9500 a 10500 9530

TERCERA Propano comercial Butano comercial Propano puro N-Butano puro

2200 (11800 Kcal/kg) 2830 (11000 Kcal/kg) 24350 32060

-El potencial de combustión o índice de Delbourg. Este índice se calcula en función de la composición del gas con ayuda de expresiones empíricas establecidas por medios experimentales. Su expresión viene dada por: siendo:

C = u (vH 2 + 0.3 vCH 4 + 0.7 vCO + V vCnHm ) / ρ r vH2, vCO, vCH4, vCnHm = % en volumen presente en el combustible. u,V = parámetros que dependen del tipo de hidrocarburos presentes en la composición, contenido en oxigeno e hidrogeno. E1 valor de “V” se deduce mediante la gráfica de la figura nº 4.2 (para la primera familia de gases) y de la figura nº 4.3 (para la segunda). E1 valor de “u” se deduce, a su vez, de la figura nº 4.4 (para la primera familia) y de la figura nº 4.5 (para la segunda).

1

V

0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4

0

20

40

60

80

% H2

Fig. nº 4.2. Potencial de combustión. Corrección del coeficiente medio de los hidrocarburos superiores al metano para la primera familia de gases. 1

V

0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4

0

10

20

30

40

50

60

70

% H2

Fig. nº 4.3. Potencial de combustión. Corrección del coeficiente medio de los hidrocarburos superiores al metano para la segunda familia de gases.

u 2.4 2.2 2 1.8 1.6 1.4 1.2 1

50%

0

O2 = % contenido en oxigeno PCS [mth/m3] 40% 30% 20% 10%

0.5

1

0%

1.5

2

2.5

3

1000 O2/PCS

Fig. nº 4.4. Valor del coeficiente "u" del potencial de combustión para los gases conteniendo oxigeno, en el caso de la primera familia de gases 1.4

u

1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1000 O2/PCS

Fig. nº 4.5. Valor del coeficiente "u" del potencial de combustión para los gases conteniendo oxigeno, en el caso de la segunda familia de gases.

Unidades Kcal/Nm3 ºC