Las consideraciones siguientes se refieren al uso de aire como comburente, ya que es el utilizado en la práctica totalidad de las instalaciones de calderas.
La estequiometría de la combustión se ocupa de las relaciones másicas y volumétricas entre reactivos y productos. Los aspectos para determinar son principalmente:
- Aire necesario para la combustión.
- Productos de la combustión y su composición
Para predecir estas cantidades es preciso referirse a un proceso ideal que dependa de unos pocos parámetros, básicamente la naturaleza del combustible. Para definir este proceso ideal se consideran los tipos de combustión que pueden darse:
Tipos de combustión.
- Completa.
Conduce a la oxidación total de todos los elementos que constituyen el combustible. En el caso de hidrocarburos:ImagenSube un archivo de imagen, elige uno de tu biblioteca de medios o añade uno con una URL.SubirBiblioteca de mediosInsertar desde URL
El Nitrógeno se considera como masa inerte, si bien a las altas temperaturas de los humos pueden formarse óxidos de nitrógeno en pequeñas proporciones (del orden de 0,01%).
- Incompleta.
Los componentes del combustible no se oxidan totalmente por lo que aparecen los denominados inquemados, los más importantes son CO y H2; otros posibles inquemados son carbono, restos de combustible, etc.
- Estequiométrica.
Es la Combustión Completa realizada con la cantidad estricta de oxígeno; es decir, el aire empleado en la combustión es el mínimo necesario para contener la cantidad de oxígeno correspondiente a la oxidación completa de todos los componentes del combustible.
La expresión de esta combustión es:
La combustión estequiométrica permite definir los parámetros característicos de los combustibles:
- Poder Comburívoro.
Es la cantidad de aire seco, medida en condiciones normales (T=0°C y P=1atm), mínima necesaria para la combustión completa y estequiométrica de la unidad de combustible. Es un parámetro característico únicamente de la composición del combustible y puede tabularse con facilidad.
- Poder Fumígeno.
Es la cantidad de productos de la combustión que se producen en la combustión estequiométrica de la unidad de combustible. En función de considerar o no el vapor de agua existente en los productos de la combustión, se tienen Poderes Fumígenos Húmedo y Seco, respectivamente.
- Coeficiente de exceso de aire.
La mayor parte de las combustiones no transcurren en estas condiciones ideales (completa y estequiométrica), el principal aspecto a considerar será la posibilidad de que la combustión transcurra con exceso o defecto de aire, para caracterizar la proporción de oxígeno se define el parámetro “coeficiente de exceso de aire”:
Así la combustión puede ser clasificada en:
- Con defecto de aire.
La cantidad de aire utilizada no contiene el oxígeno necesario para oxidar completamente a los componentes del combustible.
CxHy+n(O2+N2) →CO2 + CO+H2+H2O+0.79 n N2 + Q (calor)
Además de los productos normales de la combustión, Dióxido de carbono y Agua, se producen inquemados como el Monóxido de Carbono e Hidrógeno; en algunos casos con mucho defecto de aire puede haber incluso carbono y combustible sin quemar, en los humos.El calor producido es inferior al de la combustión completa.
- Con exceso de aire.
En este caso la cantidad de aire aportada es superior a la correspondiente a la combustión estequiométrica; la combustión en estas condiciones puede ser completa o incompleta:
- Completa.
Al emplearse más aire que el estrictamente necesario, en los humos se da la presencia de oxígeno. El calor generado es el correspondiente a la combustión completa.
- Incompleta.
La cantidad de aire utilizada es superior a la correspondiente a la combustión estequiométrica, pero a pesar de ello, debido fundamentalmente a que no se ha logrado una buena mezcla entre el combustible y el aire, los componentes del combustible no se oxidan totalmente. Su expresión es:
Respecto a la combustión incompleta con defecto de aire, en los productos de la combustión también se tiene oxígeno; en casos extremos en los humos puede haber carbono y combustible sin quemar. El calor producido es inferior al de la combustión completa.
Rendimiento.
El calor que puede obtenerse en una combustión es el correspondiente al Poder Calorífico del combustible (PCI ó PCS), habitualmente referido al PCI.
Al realizar la combustión, una parte del calor producido se pierde, asociado a los productos de la combustión; estas pérdidas se pueden agrupar en dos tipos:
- Pérdidas por inquemados (Qi)
Corresponden al poder calorífico de los productos de la combustión que no han sido totalmente oxidados.
Únicamente se presentan en el caso de combustiones incompletas, siendo más altas cuanto mayor sea la cantidad de inquemados.
- Entalpía de los productos de la combustión (Qhs)
Corresponde al calor utilizado en calentar los humos hasta la temperatura a la cual escapan por la chimenea, ya que a partir de ese punto el calor que llevan no se recupera.
Estas pérdidas son mayores cuanto más altas sean las temperaturas de humos. También aumentan con el exceso de aire, ya que con el mismo aumenta el volumen de humos, transportando mayor cantidad de calor.
De tal manera. Podemos definir el rendimiento de la reacción como:
Analizadores de la combustión.
Son equipos que analizan los parámetros de la combustión; siempre analizan Humos Secos, ya que en caso contrario la humedad de los humos podría estropear los mecanismos interiores de los analizadores; por ello en primer lugar “secan” los humos pasándolos por un filtro.
Habitualmente incorporan:
- Medidor de O2, resultado en %
- Medidor de CO, indicación en ppm.
- Temperatura Ambiente (°C).
- Temperatura de Humos (°C).
- Medición de tiro (Pa, mmCA, mbar, etc).
Con la medición de O2 , indicando previamente el combustible que se está analizando, el aparato calcula el exceso de aire y el CO2 correspondiente, con todos estos datos proporciona el rendimiento de la combustión.
Las mediciones realizadas directamente por el analizador son válidas sea cual sea el combustible; sin embargo, los datos de exceso de aire CO2 y rendimiento, al ser calculados por el equipo, dependen de que al mismo se la haya indicado correctamente dicho combustible.
El analizador más común utilizado en los procesos de combustión es el Orsat.
Analizador Orsat.
Por medio de este aparato es posible realizar el análisis de los productos de combustión y además, calcular la relación aire/combustible, y ajustarla de modo conveniente, así como determinar la efectividad de la combustión, a fin de controlar la buena marcha de la operación.
El funcionamiento de este aparato se basa en la absorción sucesiva de CO2, O2 y CO. Las partes fundamentales de dicho aparato son:
- Una bureta de medida (A).
- Un frasco nivelador (F).
- Un filtro de gas (H).
- Pipetas de absorción (B, C, D y E).
- Válvulas conectoras de las pipetas de absorción (I).
Primero se absorbe el CO2 en la pipeta B, la cual contiene potasa caustica KOH, posteriormente, en la pipeta C se retiene al oxigeno con una solución alcalina de ácido pirogálico y finalmente, el CO se absorbe en las pipetas D y E, por una solución ácida de cloruro cuproso.
En la figura 1.2 se muestra la estructura de un analizador tipo Orsat.
