capitulo 2 plantas termicas

8/16/2019 Capitulo 2 Plantas Termicas

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1. CARACTERÍSTICAS DE LOS COMBUSTIBLES SÓLIDOS, LÍQUIDOS YGASEOSOS.

Un Combustible es una sustancia capaz de producir energía calórica alreaccionar con el oxigeno y en algunos casos en presencia de una llama.

1.1 Tipos de Combustibles

Existen tres tipos de combustibles a saber: Combustibles sólidos, combustibleslíquidos y combustibles gaseosos.

Combustibles Sólidos

En la naturaleza existen dos tipos de combustibles sólidos a saber:

Combustibles sólidos Naturales Combustibles sólidos Artificiales.

Comb ust ib les sólidos art i f ic ia les Son aquellos fabricados por el hombre a partir de otros combustibles y entreellos tenemos; carbón de madera, coque de baja temperatura, coque de mediatemperatura y coque de alta temperatura.Comb ust ib les sól idos naturales Son formados por la naturaleza con el tiempo y entre los más utilizados seencuentra el carbón, el bagazo en el sector azucarero y en la actualidad setrabaja con desechos agroindustriales siendo el más característico la cascarillade arroz, Borra del café y Biomasa.

El Carbón

El carbón es una mezcla de carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, azufre,agua, y cenizas, lo cual existía inicialmente en forma de materia vegetal yquedó enterrado en el fondo de pantanos y lagos hace unos 300 millones deaños, en el período Carbonífero. La acumulación de limos y otros sedimentos, junto con los movimientos de la corteza terrestre (movimientos tectónicos)enterraron estos pantanos y turberas, en algunos casos a una granprofundidad. A medida que iban quedando enterradas, las plantas muertasfueron sometidas a elevadas presiones y temperaturas, las cuales causaron

cambios físicos y químicos a los vegetales, transformándolos en carbón.En la naturaleza se encuentran muestras de todas las etapas del proceso,

desde la estructura brillante de la antracita asta el blando y deleznable lignitoformado en épocas más recientes.

En la actualidad la industria y el transporte dependen básicamente (mas del80% en consumo) de los combustible fósiles, que son el petróleo, el carbón y elgas natural. Debido a que la formación de estos combustibles requiere un


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tiempo del orden de millones de años, estamos hablando de una fuente norenovable. Esto supone un gran problema para la humanidad ya que en unfuturo no muy lejano habrá que buscar alternativas para la completa sustituciónde fuentes de energía no renovables.

El carbón es el combustible fósil más abundante en el mundo y cuenta con la

ventaja de que está ampliamente distribuido. La gran mayoría de las reservasse encuentran en el hemisferio norte, es decir, en Norteamérica, en Rusia,China, etc. aunque también existen reservas en el hemisferio sur (en menorcantidad): en Sudáfrica y Australia. Se calcula que con el ritmo actual deconsumo, estas reservas aguantarán durante 250 años más, mientras que lasreservas de petróleo no llegan a los 50 años, y las reservas de gas naturalrondan los 70 años.

La abundancia de las reservas significa su disponibilidad para suministrodurante mucho tiempo. De todas maneras, al ser finitas todas las reservas decombustible fósil, se necesita hacer un uso eficiente y comercialmente efectivo

de ellas, de manera que se conserven estos valiosos recursos. Actualmente casi el 40% de la electricidad generada mundialmente esproducida por carbón. La industria mundial del hierro y el acero tambiéndepende del uso del carbón, al ser éste el principal agente reductor en laindustria metalúrgica

Pero existe un gran problema, que es el impacto medioambiental que causa laminería del carbón y su combustión. Los líquidos que se desprenden de lasexplotaciones mineras, cargados de metales pesados y productos químicostóxicos son muy peligrosos y contaminan los suelos y los ríos próximos a lamina. El otro problema viene de la combustión del carbón, que desprende a la

atmósfera gases responsables del efecto invernadero, o la lluvia ácida, ademásen el caso de que el carbón contenga impurezas hace que se desprendangases más peligrosos y tóxicos.

Las nuevas tecnologías permitirán que el uso del carbón se haga cada vez máseficientemente, al mismo tiempo que ambientalmente aceptable, ya que ésteserá una fuente vital de energía en el mundo entero durante el próximo siglo. Además, la diversidad y abundancia de las reservas de carbón a nivel mundial,significan que el carbón puede afrontar el desafío de contar con energíasegura. Se pronostica que una vez las reservas de petróleo y gas se hayanagotado, habrá todavía muchas reservas de carbón ampliamente disponiblespara satisfacer las necesidades de energía en el mundo.

Impurezas minerales en el carbón

La humedad, cenizas, azufre, oxígeno y nitrógeno son impurezas del carbón.Estos cuerpos juntos o separados tienen una marcada influencia en laaplicación de un carbón para fines determinados.

La humedad , no tiene valor como combustible. Al evaporarla se produce unapérdida de calor que se escapa con los productos de la combustión.


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La ceniza, rebajan la potencia calorífica del combustible y su extracción de loshogares resulta costosa. Dificultan la transmisión de calor y tienden a tapar loshuecos de aire del lecho de combustible, con lo que disminuye la cantidad decarbón que puede quemarse por hora. Además la ceniza de ciertos carbonesfunde a temperaturas relativamente bajas formando escorias, las cuales

deterioran los revestimientos de los hogares y originan el consiguiente gasto desu extracción.

El azufre, no tiene su plena potencia calorífica si no se halla en estado libre.En forma de sulfato no tiene interés como combustible. En grandes cantidadeses muy probable que forme escorias muy molestas y que los productos de sucombustión corroan los metales.

El oxigeno, rebaja la potencia calorífica del combustible.

El nitrógeno, es inerte desde el punto de vista químico y análogamente a laceniza disminuye la cantidad de energía disponible por tonelada decombustible, es imposible eliminarlo por procesos de lavado sencillo, por

encontrarse íntimamente mezclada con el carbón, se encuentran formandodiferentes tipos de compuestos, entre los más notorios tenemos:

Elemento % total de impurezas

Si – Al 50 - 90Fe < 10

Cu 0 - 20Mg 0 – 8Na – K 0 – 4

Mn 0 – 2

Durante el proceso de combustión, los minerales residuales puedencombinarse y reaccionar con otros derivados, por tal razón la ceniza, no es unrepresentativo del total de la materia mineral.

Para corregir los análisis de impureza minerales se utiliza la formula de Parr.

MM = 1.08* CC + 0.55*S donde;

MM = Porcentaje de impureza mineral en el carbón

CC = Porcentaje de cenizasS = Porcentaje de azufre

Formación de escoriaLa escoria es una masa dura formada por la ceniza fundida y carbón fino, queobstruyen las parrillas de las calderas, reducen el paso de aire, contribuyendo asu formación los siguientes factores:


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a- El punto de fusión de la ceniza, el mínimo aceptado es 1300 °C, pordebajo de este valor es propenso a formarse gran cantidad de escoria.

b- El mayor espesor del lecho, hace que los sulfuros de hierro de bajopunto de fusión, se oxiden y formen oxido de hierro de alto punto defusión.

c- La ceniza fundida se adhiere más fácilmente a las superficies caliente,

por lo tanto un enfriamiento previo previene este fenómeno.d- Los carbones con alto contenido de azufre y hierro son los máspropensos a formar la escoria.

Características generales de los combustibles sólidos para todos lostipos de calderas de parrilla

Humedad: aceptan un amplio rango, aunque lo máximo recomendado es un12%Materiales Voláctiles: se pueden quemar mezclas y hasta finos de coque,

aceptan un amplio rango.Cenizas: aceptan carbones con contenido de cenizas máximo de 12% – 18%.Granulometría: Los valores máximos recomendados son:20% de finos bajo 3mm, exceptuando la caldera de parrilla móvil que acepta de35% - 45% bajo 3mm.Poder Aglut inante : Carbones con un alto poder aglutinante (como los mediovolátil), no son aceptables solos, pero si en cierto grado de mezclas. Lascalderas más flexibles son las de parrilla móvil. Todas pueden aceptarcarbones con algo de poder aglutinante.Temperatur a de fusión de cenizas : Tienen gran flexibilidad, exceptuandocarbones con temperatura de fusión muy baja.Índ ice de Hardg rov e : No tiene mucha importancia porque el carbón no hayque pulverizarlo (lo mismo el índice de abrasión).

Influencia de las propiedades de la ceniza sobre la combustión de carbónpulverizado. En la tabla 1.1, presentamos algunas propiedades de carbonesdel cerrejón Colombia.

Efecto de las cenizas sobre la operación y mantenimiento de las calderasLas cenizas son el residuo que permanece después de la combustión delcarbón, bajo circunstancias específicas. Se determina como el resultado de los

cambios químicos de la materia mineral durante el calentamiento y el procesode oxidación.

Un alto contenido de cenizas reduce el poder calorífico y aumenta losproblemas de manejo y afecta las operaciones de minería, preparación yTransporte; de igual manera, retarda la combustión e incrementa las pérdidasde carbono, involucra costos para remoción y disposición y significa másemisión de ceniza volátil. Un estudio de TVA revela que por cada aumento del1% en el contenido de ceniza, el rendimiento de la caldera disminuye en


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0,034%.

Cuando se utilizan carbones con alto contenido de ceniza en calderas conparrilla, para mantener la altura del lecho debe darse mayor velocidad a laparrilla, lo cual puede incrementar los inquemados.

Puede decirse que un carbón "completamente descenizado" de cualquier tipo orango puede quemarse en cualquier caldera. Sin cenizas, todas las calderaspodrían diseñarse fácilmente sobre la base de transferencia de calor. Lascenizas le imprimen al carbón su carácter.

El entendimiento que existe hoy en día del comportamiento de las cenizas esúnicamente una guía para el diseño, dimensionamiento y operación decalderas. No existe aún una fórmula mágica que represente los diferentescomportamientos. Por tal razón a continuación se presentan algunaspropiedades físicas y químicas de las cenizas y se discute algunos parámetrosque las categorizan.

Tabla 1.1, Propiedades de carbones del Cerrejón - Colombia

Reacciones químicas durante la combustiónLos compuestos minerales del carbón cambian considerablemente a medidaque pasan a través del hogar y están sujetos a las altas temperaturas de lacaldera. Las reacciones químicas se realizan entre estas sustancias y losgases reductores y el carbón caliente formando nuevos y más complejoscompuestos que contienen menos oxígeno que los constituyentes originales.

Como regla general, las cenizas con alto contenido de sílice o alúmina tienenalta temperatura de ablandamiento y su temperatura no se afecta mucho poruna atmósfera reductora. Los compuestos de metales alcalinos yalcalinotérreos como Na2O, K2O y MgO tienden a temperaturas deablandamiento más bajas.

Escoriamiento y depósito de cenizasPara evaluar el comportamiento de las cenizas del carbón y su efecto sobre la


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formación de escoria y depósitos tanto en las paredes como en las superficiesde convección, se utiliza un gran número de parámetros, entre los cuales setienen: temperatura de fusibilidad de las cenizas, relación base/ácido, relaciónhierro/calcio, relación sílica alúmina, relación hierro/dolomita, porcentaje dedolomita, porcentaje de óxido férrico, álcalis totales, índice de ensuciamiento(fouling) e índice de escoriamiento (slagging).

Los anteriores índices ayudan a predecir el comportamiento de las cenizas bajolas condiciones de quemado. Algunas veces puede presentarse confusión entre los términos escoria ydepósitos. Las definiciones que se aplican para la combustión de carbón son:

Escoria : Depósitos fundidos o material fundido y resolidificado que se formaprincipalmente sobre las paredes de la caldera y otras superficies expuestaspredominantemente a calor radiante o a altas temperaturas.

Depósitos : Cenizas enlazadas, sinterizadas o cementadas que se forman

principalmente sobre las superficies de convección tales como elsobrecalentador y también en las paredes de la caldera pero a mas bajatemperatura que la de producción de escoria.

Relación Base/Ácido (B/A)Se define como la relación entre los óxidos básicos y los óxidos ácidos de lascenizas.B/A = (Fe2 O3 + CaO + MgO + Na2O + K2O) / (SiO2 + Al2O3 + TiO2)

Con la mayoría de las cenizas, una relación base/ácido en el intervalo de 0.4 a0.7 manifiesta una temperatura baja de fusibilidad y por ende un alto potencialde escoriamiento.

Relación Hierro/CalcioSe define por la relación Fe2O3 / CaO. Relaciones entre 10 y 0.2 tienen unmarcado efecto en la disminución de la temperatura de fusión de las cenizas.

Relación Sílica/AlúminaSe define como SiO2 / Al2O3. El intervalo general está entre 0.8 y 4.0.

Potencial de Ensuciamiento

Muestra la relación entre los óxidos básicos y los óxidos ácidos, multiplicadospor el contenido de óxidos de sodio.

(B/A) Na2O

Índices menores a 0.2 indican una tendencia baja al ensuciamiento; entre 0.2 y0.5 una tendencia media; entre 0.5 y 1.0 tendencia alta y mayor de 1.0 unatendencia severa.


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Corrosión po r las CenizasDurante la operación normal de calderas ocurre desgaste del metal,principalmente en las paredes de agua cercanas a la zona de fuego, en lassecciones del sobrecalentador y recalentador de alta temperatura y en lospasos de gas a baja temperatura y calentadores de aire.Los estudios demuestran que los compuestos alcalinos, alcalinotérreos,

ferrosos y el azufre son los constituyentes más importantes y que contribuyen ala corrosión de alta temperatura.

Tratamiento y manejo del carbónEl carbón tal como se extrae de la mina, no es apto para la utilización directaen la mayoría de los procesos y por este motivo es necesario empleardiferentes procesos para convertirlo en una forma manejable para su eventualuso. Entre los principales procesos se incluyen: reducción de tamaño,clasificación o tamizado, limpieza o remoción de alguna materia mineral,secado, etc.

La preparación del carbón es actualmente la operación más importante en laindustria de la minería del carbón, en la que no importa que tan sucio, fino ohúmedo llegue a la planta de tratamiento, sino que el producto obtenido cumplacon las especificaciones de los contratos de compraventa en lo referente agranulometría, humedad, contenido de cenizas y azufre.En cuanto al almacenamiento del carbón, se puede decir que éste cumple conla misma función que los inventarios de materia prima en cualquier industria deprocesos: mantener una reserva en un sitio seguro hasta que se le necesite, Laoperación de almacenamiento de carbón debe incluir la construcción ymantenimiento de pilas para protegerlo de deterioro o de las pérdidas demanejo. La experiencia recomienda mantener carbón para 15 o 20 días deoperación, pero dependiendo del riesgo de cortes en el suministro puede llegara considerarse inventarios para 60 a 90 días con todos los costos que elloimplica.

El principal esfuerzo para el almacenamiento del carbón debe ser protegerlo delos cambios que ocurren en sus propiedades físicas y químicas cuando seexpone al aire a temperatura ambiente.

Cambios en el carbón durante el almacenamientoLos cambios que ocurren en el carbón durante el almacenamiento dependen

de las siguientes situaciones:a) Todos los constituyentes de los carbones, excepto las cenizas y la humedad,consumen oxígeno del aire.b) Las perdidas de humedad de los carbones, especialmente subbituminosos,causan degradación del tamaño. La variación de la calidad del carbón expuestoal aire se acelera si la temperatura de la pila aumenta. Al ocurrir esta elevaciónde temperatura, puede presentarse "combustión espontánea".

Cualitativamente, los cambios generales que tienen lugar en el carbón


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almacenado (exceptuando la combustión espontánea) son incrementos enpeso, contenido de oxígeno, higroscopicidad y temperatura de ignición. Seproduce disminución del contenido de carbono e hidrógeno, poderes caloríficosy coquizante y tamaño promedio de la partícula. La magnitud de estos cambiosdepende del tiempo de exposición al aire y de la velocidad de reacción deoxidación. Una de las causas de mayor deterioro del carbón es la combustión

espontánea, la cual resulta de su propiedad de reaccionar con el oxígeno delaire a bajas temperaturas en un proceso exotérmico que, en circunstanciasfavorables a la acumulación del calor desprendido, conduce aautocalentamiento del carbón induciendo la formación de fuego.

Las etapas y reacciones que conducen a la combustión espontánea en la pilade carbón pueden resumirse como sigue:

El carbón comienza a oxidarse entre 25-40°C Por cada incremento de 15°C, la velocidad de oxidación se dobla. La combustión espontánea puede ocurrir tres días después de que

la temperatura alcance los 85°C. A los 150°C se produce CO2 y vapor de agua, los cuales son

detectables. A los 340°C, el carbón prende y quema vigorosamente

Almacenamiento a la IntemperiePara el almacenamiento a la intemperie deben considerarse unos criteriosbásicos:

Optimizar el uso del terreno para obtener el más alto valor de área útil y

que sea consistente con los requerimientos ambientales y dealmacenamiento. Mantener fácil acceso al material almacenado. -distancia.

manejada, combinando costos de operación y capital. Mejorar o mantener la uniformidad, integridad y calidad del material

almacenado. A continuación se mencionan algunas consideraciones prácticas para un buenalmacenamiento de carbón:

tuberías de vapor, agua caliente, o cualquier tipo de tubería y debedrenar naturalmente. Algunas veces las áreas de almacenamiento sonrevestidas con material asfáltico.

15 a 60 cm. de espesor y deben estar bien compactadas para eliminar elflujo de aire. La densidad suele ser de 56 a 72 lb/pie3 (0.9 a 1.2ton/m3.).


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trapezoidal con una pendiente lo más inclinada posible para prevenir lapenetración de la lluvia en la pila.

ben cubrirse con una capa definos compactados y por lo menos un pie (30 cm) y rematar con unacapa de un pie (30 cm) de carbón de tamaño no superior a 15 cm con elfin de evitar la erosión por vientos.

La temperatura debe chequearse periódicamente y debe hacerseparticularmente en las aristas y lados pendientes. Una temperatura de158°F (70°C) es una temperatura crítica. Un método empírico consisteen la introducción de una varilla de acero de punta y si al palparla estácaliente, entonces existen problemas.

Si la temperatura supera los 70°C el carbón debe secarse y utilizarseinmediatamente o removerlo para enfriarlo y luego compactarlo en otrositio.

Las siguientes alturas de pilas de almacenamiento se recomiendancomo seguras. Para carbón fino con contenido de MV > 18%, de 12 a 14pies (3.6 a 4.2 m). Para carbón grueso con MV > 18%, de 18 a 20 pies(5.5 a 6.0 m). Para carbón fino con MV < 18% se recomienda 19,7 pies(6 m).

Precios y Forma de PagoPara el segmento de lo que podríamos llamar medianos y grandesconsumidores de carbón en nuestro medio (a criterio personal, calderas entre2.5 y 6.3 Kg/s (20.000 y 50.000 lb/h) de vapor y mayores de 6.3 Kg/s (50.000lb/h) de vapor, se han propuesto algunas fórmulas de pago, que tienen encuenta las variables más importantes de calidad del carbón para un diseñoespecífico de caldera. Los parámetros de calidad considerados generalmente

son: poder calorífico, contenido de cenizas, humedad, materia volátil, azufre,índice de molienda, granulometría, temperatura de fusión de las cenizas ypropiedades de ensuciamiento y escoriamiento de las cenizas.

Para cada tipo de caldera, con base a especificaciones de fabricante, seestablece como calidad deseada del carbón, los intervalos deseados dealgunas de sus propiedades más importantes desde el punto de vistacombustión. Así por ejemplo, para una caldera de 100.000 lb/h de vapor (12.6 Kg/s) quequema carbón en un sistema de parrilla viajera, se han definido los siguientesintervalos:

Humedad Menor al 5% Materia volátil Superior al 22% Cenizas Inferior al 15% Azufre Menor al 1.5% Granulometría Tamaño máximo 1" y que no pase más del 15% el tamiz

de ¼".El carbón que no cumpla con dichos intervalos debe penalizarse de acuerdocon algún sistema de pago previamente acordado.


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Para el carbón que cumpla con la calidad deseada:

Precio Final (PF) = Precio Básico (PB) + Precio de Transporte (PT)

El precio básico se fija por tonelada de carbón en boca de mina o centro deacopio y el precio de transporte se establece de acuerdo con las tarifas

existentes en el mercado.Si el carbón no cumple con la calidad deseada, el precio final estará dado por:

PF = PB x H x Y x S x G + PT

Donde H es la humedad, Y es el factor que puede incluir ceniza y materiavolátil, S el contenido de azufre y G es la granulometría.Para humedad (cuando es mayor del 5%):

Incumplimiento por humedad (H)

H = (100 +Hp - He) / 100

Donde Hp = Humedad pactada inicialmenteHe = Humedad entregada por el proveedor.

Incumplimiento por contenido de cenizas (C)

Donde:

Cp = porcentaje de cenizas pactadas

Ce = Porcentaje de cenizas entregadas

Incumplimiento por contenido de material volátil (Mv):

Mvp = porcentaje de material volátil pactadoMve = porcentaje de material volátil entregado

Si existe incumplimiento de las características tanto por cenizas como pormateria volátil, se debe considerar la relación de combustibilidad, RF(contenido de carbono fijo / contenido de materia volátil), así:

Si 1.2 < RF < 2.2 _ se penaliza como si fuera por contenido de cenizas


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Si RF > 2.2 o RF < 1.2 debe penalizarse como si fuera por contenido demateria volátil.

Incumplimiento por contenido de azufre (S):

Donde:

Sp = Porcentaje de azufre pactado.Se = Porcentaje de azufre entregado.

Incumplimiento por contenido de finos (G):

Donde:

%finosp = Porcentaje de finos pactados

%finose = Porcentaje de finos entregados

Clasificación de los Carbones

Las temperaturas y las presiones a las que se haya formado el carbón influyen

mucho en su formación; cuanto mas altas son las presiones y temperaturas,mayor es el rango y el carbón que se forma es más rico en carbono y tiene unmayor poder calórico los distintos tipos de carbón que se distinguen son:

Antracita: es el mejor de los carbones, muy poco contaminante y de alto podercalorífico. Es un carbón muy duro que posee un color negro lustroso brillante.No se coquifica, tiene un elevado porcentaje de carbono y menos del 8% dematerias volátiles. Cuesta mucho de hacer arder, a menos de que latemperatura del hogar sea elevada, y requiere un tiro intenso. La antracita ardesin llama o con llamas muy cortas y azuladas. Este carbón esta muy indicadocuando es esencial una combustión sin humo.

Carbones bituminosos (hulla): la hulla es muy rica en carbono y tiene un altopoder calorífico, por lo que es muy usada en las plantas de producción deenergía. Posee un elevado porcentaje de materias volátiles puede alcanzarporcentajes de hasta un 45% y arde con llamas largas amarillas y humeantes.Su porcentaje de materias volátiles, humedad, ceniza y azufre varíaconsiderablemente. Los carbones bituminosos pueden ser coquificables yfritables; estos últimos no se hinchan ni se sueldan formando una sola masa alcalentarlos, como acontece con los primeros.


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Carbones sub-bituminosos: se conocen algunas veces con el nombre delignitos negros. Son carbones bituminosos de baja calidad que han perdido laestructura leñosa de los lignitos. Los carbones sub-bituminosos se desintegrancuando se exponen al aire, y requieren mucha vigilancia mientras estánalmacenados. Su porcentaje de materias volátiles varía desde 35 hasta el 45%y su contenido de humedad oscila entre 17y20%.

Lignitos: Los lignitos constituyen el estado de transición entre la turba y elcarbón sub-bituminoso. Tienen aspecto de madera y frecuentemente de arcilla.Posee potencias caloríficas bajas y elevado contenido de humedad y cenizas:la humedad inicial llega hasta 30-45% pero la pierden fácilmente exponiéndolasal aire, lo cual puede producir una rápida desintegración de este combustible.De no adoptar grandes precauciones al almacenarlos, están sujetos al riesgode la combustión espontánea. Los lignitos como combustibles sólo tieneninterés consumiéndolos en instalaciones situadas en bocas de minas.

Turba: la turba es un combustible muy mediocre, empleado en algunos países

como medio de calefacción doméstica. En estado natural está impregnada deagua, debido a lo cual ha de secarse siempre antes de su empleo.Las clasificaciones más sencillas se han efectuado a partir del análisis próximoentre las más importantes tenemos:

Clasificación ASTM: Se clasifican en dos grupos donde se toma en cuenta elcontenido de carbono y los carbones con menos del 31 % de Materia volátil.

Grupo I mayor del 98% de carbono fijo. (Cf)Antracita Grupo II entre 90% y 92% de carbono fijo. (Cf)

Grupo III entre 92% y 82% de carbono fijo. (Cf)

Grupo IV entre 82% y 78% de carbono fijo. (Cf)

BituminosoGrupo V entre 78% y 69% de carbono Fijo. (Cf)

Clasificación “United States Bureau of Mines”: Se basa en la relación delcarbono con la materia volátil.

Rango Cf / Mv

Antracita 10 – 60Semi-Antracita 6 - 10Semi-Bituminoso 3 - 6Bituminoso 0.5 – 3

Clasificación de Seyler : Es una de las más completas tiene en cuenta elcontenido de carbono, hidrógeno y material volátil, así como el poder calórico


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superior y el índice de inchamiento, en la tabla 1.2 se presenta la clasificaciónde carbones según Seyler.

Tabla 1.2 Clasificación de carbones según seyler

Rango %C %H %Mv HHV I.H

AntracitaSemi-AntracitaSemi-Bituminoso

Bituminoso

Lignitosos

Lignitos

>93.393.3 – 91.293.3 – 91.2

M 91.2- 89O 89 – 87P 87 – 84

M 84 – 80O 80 – 85

< 75

3.0 – 3.83.8 – 4.44.4 – 5.0

4.4 – 5.44.7 – 5.64.9 – 5.7

5.0 – 5.75.0 – 5.7

5.0 – 5.7

5.0 – 1010 – 1414 – 20

20 – 2828 – 3131 – 36

36 – 4242 – 49

49 - 59

8.5609.3708.790

8.7308.6208.340

7.9507.390

6.500

113.5

999

21

1

Clasificación de Carbones de Vehling: Toma en cuenta el rango del carbón ylo relaciona con el poder calórico superior (HHV) y el hidrógeno neto (Hn), enla tabla 1.3, se presenta la clasificación de carbones según Vehling.

Tabla 1.3. Clasificación de carbones según Vehling.Tipo de Carbón HHV© ( Btu / Lb ) Hn

Antracita 16.100 0.029

Semi Bituminoso 17.400 0.049

Bituminoso 17.900 0.054

Sub Bituminoso 17.600 0.045

Lignito 17.100 0.037

Análisis de Combustibles SólidosExisten dos tipos de análisis utilizados para Combustibles sólidos

Análisis Misceláneos.

Da a conocer el Poder calórico Superior (HHV), La temperatura de fusibilidadde las cenizas, el índice de hinchamiento, granulometría y propiedadesplásticas y diatométricas.En general, para la combustión en parrilla con distribuidor o lanzador de

carbón, el tamaño de partícula de combustible es una propiedad importante ylas características coquízantes, aglomerantes, contenido de cenizas, fusibilidadde las cenizas, etc., por cuanto una porción del combustible quema ensuspensión (finos), mientras que el remanente (gruesos), quema sobre unaparrilla móvil o estacionaria.

En este tipo de equipos entre el 25 y el 50% del carbón, se quema ensuspensión y por lo tanto, la consistencia del carbón alimentado tiene un efecto


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directo sobre la eficiencia de la caldera y la tendencia de la instalación a emitirpartículas. Los carbones con gran porcentaje de finos, tendrán altas emisionesde partículas y mayores pérdidas de carbón. Si el carbón es grueso conpequeños porcentajes de finos, la respuesta de la caldera o variación de cargano se ve afectada, debido a que la ignición del carbón depende de los finos.

Para un carbón, tal como aquellos entre un 17 y 22% de materia volátil o bajovolátil, el mejor comportamiento se obtiene con tamaños gruesos entre 1 1/4" y1 1/2" y cisco en que no mas del 50% pasa a través del tamiz de 1/4".

Para carbones no friables, tales como los alto volátiles los mejores resultadosse obtienen con gruesos en el 95% para el tamiz de 3/4" y cisco en que no masdel 50% pase a través del tamiz de 1/4" con un tamaño tope de 1 1/4".

Las calderas de parrilla viajera y lecho constante pueden quemar carbonesbituminosos pero debe tenerse cuidado con los carbones aglomerantes. Lagranulometría debe ser tal que se queme carbón de 1" con no más del 20 al

60% de carbón que pase a través del tamiz de 1/4".

FinezaEs un parámetro guía para la evaluación de los sistemas de pulverización entérminos de especificaciones de fineza.

Dureza / AbrasividadDa una indicación de la dureza y sobre la acción de abrasión del carbón.

FriabilidadHabilidad del carbón para degradarse en tamaño por manejo y transporte eindica la tendencia al rompimiento.

Índice de PulvurenciaIndica la cantidad de polvo producido por el manejo del carbón.

Índice de Hinchamiento LibreMedida de incremento en volumen cuando el carbón se calienta sin restricción.Los índices se reparten en estándares que van del 0 al 9. Entre mayor sea elíndice, es mayor la posibilidad de hinchar y aglomerar el carbón.

Análisis PróximoEs el análisis que se le hace a los combustibles con el propósito de determinarlas siguientes propiedades:

El contenido de humedad, Material volátil, contenido de Cenizas y Carbono fijo,en la tabla 1.4, se presenta el análisis próximo de algunos carbonesColombianos por zonas y en la tabla 1.5 el análisis de algunos residuosagrícolas.


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Tabla 1.4 Análisis Próximo de Carbones Colombianos.Parámetros Cerrejón

Z.nte %CerrejónZ.Cent

%

CundinamarcaBoyacá %

Norte deSantander

%Antioquia

%Humedad 9.2 8.2 9.0 9.0 8.8Carbono Fijo 47.9 49.5 47.8 47.1 42.5Material

Volátil

34.9 34.0 26.3 35.7 36.4

Cenizas 8.0 8.3 16.9 8.2 12.3HHV Btu / lb 11900 12200 11200 12500 9800

Tabla 1.5 Análisis Próximo de residuos agrícolas.Tipo de Biomasa Análisis próximo

%Mv %Cp %Cf %N %S HHV(Btu/lb)Pino 82.54 0.29 17.70 0.06 0.03 8.629Eucalipto 81.42 0.79 17.82 0.30 0.01 8.370Cascarilla de arroz 65.47 17.89 16.67 0.40 0.02 6.560Bagazo de caña 87.30 0.80 11.90 0.33 0.01 8.370Cáscara de coco 67.95 8.25 23.80 2.98 0.12 8.206

Tuza de maíz 80.10 1.36 18.54 0.47 0.01 8.090Ramas de algodón 73.29 5.51 21.20 0.65 0.21 7.870Residuos de cosecha decaña

73.40 7.50 19.10 0.16 0.04 8.564

Fuente: VELO E. Y tauta. Curso sobre aprovechamiento energético de residuos agroindustriales.

Universidad Politécnica.

El A nálisi s Últ im o o Análi si s Quím ico

También se conoce con el nombre de composición elemental, incluye elconocimiento de los porcentaje de Carbono, Hidrógeno, Nitrógeno, Oxigeno yazufre.

Debido a que el carbón en su estado natural no es ni una sustancia pura nitiene composición uniforme, no se le puede adjudicar una fórmula químicadefinida. Por este motivo si se necesita conocer su composición hay queanalizarlo químicamente. El análisis químico y la potencia calórica (HHV) deun carbón puede expresarse de dos maneras distintas:

Sobre el carbón tal como se recibe o quema.

Sobre el carbón seco o exento de humedad.

El análisis químico da los resultados en porcentajes en peso bajo los elementossiguientes:

Humedad: la humedad de los carbones se halla presente como (1) humedadsuperficial procedente de la atmósfera y de las operaciones de lavado; y (2)humedad inherente, la cual se halla ligada químicamente con la estructura delcarbón. La humedad superficial se determina desecando una muestra a 32ºChasta que la pérdida de peso no exceda del 0,1% por hora. Este secadopreliminar se hace principalmente para poner la muestra en equilibrio con elaire, con el fin de que no se produzca ninguna pérdida de humedad en losensayos posteriores. La humedad inherente se determina con una muestrapulverizada finamente del carbón secado al aire y anotando la pérdida de peso


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después de haber permanecido durante una hora en una estufa a 105ºC. Lahumedad total es la suma de las humedades superficial e inherente.

Carbono total: el carbono total es la suma del carbono fijo y del contenido enlas materias volátiles. El carbono fijo, ó carbono sin combinar, es el que no

destila cuando se le calienta, y constituye el carbono del coque. Las materiasvolátiles, CxHy, se liberan al calentar el carbón - los valores x e y varíanconsiderablemente.

Hidrógeno: el hidrógeno puede existir como constituyente de las materiasvolátiles y de la humedad inherente. El análisis químico descompone el aguano evaporada en hidrógeno y oxígeno.

Oxígeno: todo el oxígeno contenido en un carbón se supone que se hallacombinado con hidrógeno en forma de agua; como consecuencia la

descomposición del vapor de agua da el contenido de oxígeno.

Nitrógeno: casi todos los carbones contienen una pequeña cantidad denitrógeno. Al ser inerte este elemento no produce ningún efecto perjudicial, aexcepción de que hay que manipular su peso en el tonelaje del combustiblecomprado y que absorbe energía cuando pasa a través de un motor u hogar. Elmáximo permisible está entre 1.5% - 2.2%.

Azufre: la mayoría de los carbones tienen algo de azufre, el cual únicamentepuede ser determinado por análisis químico. Se permite un máximo contenido

de azufre entre 1.7%-2.7%.

Cenizas: el residuo que queda después de haber quemado la muestra a1100ºC hasta que no haya pérdida de peso se denomina cenizas. Exceptuandola caldera de parrilla de circulación ascendente, la cual es bastante limitada,los demás tipos acetan carbones con un contenido máximo que va de 12% -18% y en algunos casos hasta más.

El análisis químico del carbón es necesario para poder efectuar los cálculosreferentes a la combustión.

En la determinación de la temperatura de combustión el análisis último es elutilizado, si embargo el obtenido en el laboratorio es el análisis próximo.

Para pasar de un análisis próximo a un análisis último existen dos métodos asaber:

a- Método de Vehling.b- Método de Seyler.


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Método de Vehling: para utilizar el método de vehling se deben seguir lossiguientes pasos:

1- Se determina el rango del carbón a partir de la relación

R = Cf / Mv

Donde:Cf = Carbono fijo.Mv = Material volátil.R = rango del carbono.

Con el resultado obtenido en el punto anterior, vamos a la tabla de clasificaciónde carbones United States Bureau of Mines y determinamos el tipo de carbón.2- Con el tipo de carbón, vamos a la tabla de clasificaciones de carbones de

vehling, y obtenemos el poder calórico superior (HHV©) y el Hidrógeno neto

(Hn).

3- Utilizando las siguientes relaciones, calculamos los porcentajes decarbono y de hidrógeno en el carbón.

%C = 100 * HHV / HHV© en peso

% H1 = 100 * Hn * HHV / HHV© en peso.

4- Calculamos las cenizas corregidas (CC).

CC = Cp – 0.375 * SDonde:

Cp = Porcentaje de cenizas pesadas, proporcionado por el análisisPróximo.

S = Porcentaje de azufre en el carbón.

5- Asumimos el contenido de Nitrógeno del combustible, normalmente este seencuentra entre 1.7 y 2.0%.

6- Calculamos el contenido de agua del combustible aplicando la siguienteformula:

%H2O = 100 – ( %C + %H1 + %CC + %N + %S + Hm ) donde:

Hm representa el porcentaje de humedad del combustible proporcionadopor el análisis próximo.


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7- Descomponemos el porcentaje de agua calculado anteriormente en sus doscomponentes, hidrógeno y Oxígeno.

n = %H2O / Mm donde:n = número de moles de agua.Mm = Masa molar del agua.

%H2 = 2 * n

%O = 0.5 * 32 * n.

8- El análisis último del carbón será:

%C; %S; %N; %O ; %CC; % Hm y

%H = %H1 + %H2.

Método de seyler: La aplicación de este método la resumiremos en lossiguientes pasos:

1. Calculamos la materia mineral del carbón (MM) utilizando las siguientesecuaciones:

MM = 1.08 * Cp + 0.55 * S.

2. Calculamos el factor para cada término tomando como base 100 kilogramosde carbón con la siguiente formulas:

LMM = 100 – MM donde, LMM son los kilogramos libre de materiamineral.

F = 100 / LMM donde, F es el factor para cada término.

3. Aplicar el factor el porcentaje de carbono, material volátil y humedadproporcionado por el análisis próximo.

4. Calcular el porcentaje de hidrógeno y el porcentaje de carbono utilizando las

siguientes ecuaciones:%H = 0.069 * [ ( HHV / 100 ) + MV ] – 2.86

%C = 0.59 * [ ( HHV / 100) – ( 1.1 * MV / 3 ) ] + 43.4

Donde HHV se debe utilizar en (Cal / g)


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5. Calculamos el porcentaje de oxígeno en el combustible aplicando lasiguiente ecuación.

% O = 100 – (%C + %H + % Hm + %N).

Se debe tener en cuenta que el contenido de nitrógeno en los combustibles

sólidos no debe superar el 2% según las normas de contaminación ambiental.

6. Se divide por el factor todas las cantidades calculadas.

C = %C / F H = %H / F

O = %O / F Hm = %Hm / F

N = Se supone.

7. Se obtiene las cenizas corregidas ( CC) con la siguiente ecuación:

%CC = MM - % S.

8. Se determina el análisis último.

Ejemplo: El análisis próximo de un carbón es el siguiente:

Cf = 53.1% ; Mv = 33.8%; Hm = 2.9 %; Cp = 10.2 %; S = 1.1 %.

HHV = 13210 Btu / lb

Calcular el análisis último a partir del método de Vehling y el método de Seyler.

Método de Vehling

1. R = 53.1 / 33.8 = 1.57 2. Carbón Bituminoso

3. HHV© = 17900; Hn = 0.054 4. %C = 100 * 13210/ 17900%C = 73.80

5 % H1 = 100 * 0.054 * 13210 /17900 6 CC = 10.2 – 0.375 * 1.1%H1 = 3.98 CC = 9.79

7. %N = 1.7

8. %H2O = 100 – (73.8 + 3.98 + 9.79 + 1.7 + 1.1 + 2.9)%H2O = 6.73


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9. n = %H2O / MmH2O = 6.73 / 18 = 0.37

10. %H2 = 2 * n = 2 * 0.37 = 0.74

%O = 0.5 * 32 * n = 0.5 *32 *0.37 = 5.92

Anális is Ultim o

%C = 73.8; %H = 4.73; %N = 1.7;%O = 5.93; %S = 1.1; %CC = 9.8 y % H2O =2.9.

Método de Seyler

1. MM = 1.08 * 10.2 + 0.55 * 1.1 = 11.62

2. LMM = 100 – 11.62 = 88.38F = 100 / 88.38 = 1.13

4. %C= 53.1 * 1.13 = 60 %Mv = 33.8 * 1.13 = 38.19 %Hm = 2.9 * 1.13 =3.28

5. %C = 0.59 * [ ( 7339/ 100) – ( 1.1 * 38.19 / 3 ) ] + 43.4%C = 78.43.

%H = 0.069 * [ ( 7339 / 100 ) + 38.19 ] – 2.86%H = 4.83

6. % O = 100 – ( 78.43 + 4.83 + % 3.28 + 1.7 ).%O = 11.76

7. %C / F = 78.43/1.13 = 69.4 %H / F = 4.83 / 1.13 = 4.27%Hm / F = 3.28 / 1.13 = 2.9 %N = 1.7%O / F = 11.76 / 1.13 = 10.4

8. %C C = 11.62 – 1.1 %CC = 10.52

Anális is Último

%C = 69.3; %H = 4.2; %N = 1.7; %O = 10.3; %S = 1.1; %CC = 10.5 y %H2O =2.9

Como podemos observar en el ejemplo anterior los resultados obtenidos porlos diferentes métodos son coherentes, en la tabla 1.6, se presenta el análisisúltimo de algunos carbones Colombianos por zonas, y en la tabla 1.7 el deresiduos agrícolas.


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Propiedades de los combustibles sólidosLo más importante para los combustibles es conocer la cantidad de calordesprendido por unidad de masa o por unidad de volumen, este se conoce conel nombre de poder calórico que puede ser de dos tipos: poder calóricosuperior o poder calórico inferior.

Tabla 1.6 Análisis Último de Carbones Colombianos.Parámetros Cerrejón

Z.nte %CerrejónZ.Cent%

CundinamarcaBoyacá %

Norte deSantander%

Antioquia%

%C 67.38 68.20 59.88 68.81 57.28%H 3.96 4.00 3.00 4.22 3.29%O2 8.85 8.68 8.45 7.14 15.38%N 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5%S 0.85 0.85 0.85 0.85 0.85

%CC 8.26 8.58 17.32 8.47 12.90%W 9.2 8.2 9 9 8.8

Tabla 1.7. Análisis Último de residuos agrícolas.Tipo de Biomasa Análisis Último

%C %H %O %N %S %CCPino 49.25 5.99 44.4 0.06 0.03 0.30Eucalipto 49.00 5.87 44.0 0.30 0.01 0.72Cascarilla de arroz 40.96 4.30 35.86 0.40 0.02 18.34Bagazo de caña 49.90 5.80 43.00 0.33 0.01 0.80Cáscara de coco 48.23 5.23 33.19 2.98 0.12 10.25Tuza de maíz 46.58 5.87 45.46 0.47 0.01 1.40Ramas de algodón 47.05 5.35 40.77 0.65 0.21 5.89

Residuos de cosecha decaña 48.60 5.90 42.80 0.16 0.04 7.20

Fuente: VELO E. Y tauta.curso sobre aprovechamiento energético de residuos agroindustriales.Universidad Politécnica.

Valor calórico de los combustibles sólidos.

Se diferencian los siguientes conceptos: Poder Calórico superior (PCS) (HHV). Poder Calórico inferior (PCI) (LHV). Poder Calórico real (PCR).

Poder Calórico superior (PCS). Calor desprendido por un kilogramo decombustible, en el proceso de combustión completa llevado a cabo en unabomba calorimétrica a volumen constante, en las tablas 2.8 y 2.9, se presentael poder calórico de algunas sustancias combustibles y en la tabla 2.10 el podercalórico de carbones Colombianos.


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Poder Calórico inferior (PCI). Calor desprendido por un kilogramo decombustible en un proceso de combustión completa, cuando el agua formadase libera, junto con los gases, en forma de vapor de agua.

En los cálculos de los generadores de vapor se debe utilizar el PCI puestoque el agua formada en forma de vapor se expulsa o disipan por la chimenea.

Poder calórico real (PCR): Es el valor resultante de multiplicar el PCI por elrendimiento de la combustión en la caldera. En las tablas 1.8, 1.9, y 1.10,podemos apreciar los valores calóricos de algunos combustibles.

Tabla 1.8. Valores calóricos de combustión

Peso (lb/pie³) Vol(pie³/lb) lb pie³

C 12 14.093S 32 3.983

H? 2 0.00531 188 61.100 325

CO 28 0.07385 13.53 4.347 322

O? 32 0.08440 11.85

N? 28 0.07421 13.48

29 0.07636 13.10

CO? 44 0.1167 8.58

H?O 18

Monóxido de Carbono

Oxígeno

Nitrógeno

Aire

Gas Carbónico

Agua

Para gases 60°F(14.7 psi) Poder Calórico

CarbonoAzufre

Hidrógeno

Elemento o compuesto Formula Peso Molecular

Tabla 1.9. Poder calórico de residuos agrícolasTipo de biomasa Poder calórico superior HHV ( Kj/kg)

Pino 20.020

Eucalipto 19.420

Cascarilla de arroz 15.220

Bagazo de caña 19.420

Cáscara de coco 19.040

Tuza de maíz 18.770

Ramas de algodón 18.260

Residuos urbanos 19.870

Haces de Ganado 17.360

Fuente: Velo.E y Tauta.curso sobre el aprovechamiento energético de residuos Agroindustriales. Universidad Politécnica de Cataluña p.28-30. 1999

Tabla 1.10. Poder Calórico de carbones Colombianos

Carbones colombianos Poder calórico superior HHV (Btu/ lb)

Cerrejón zona norte 11.900Cerrejón zona centro 12.200

Cundinamarca 11.200Norte de Santander 12.500


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kg kJ W S O H C bcQ PCI t t t t t t ,24)(1091030339

Donde:

PCI = Valor calórico inferior,kg

kcal

C = % de Carbono.H = % de Hidrógeno.S = % de Azufre.

d) Ecuación de Majankó y Orojin.

kg kJ W S O H C bcQ PCI t t t t t t ,25)(5,1081025338

e) Babcock and Wilcox.

S O

H C VCS 40508

028,625,14

C, H, O, S, % de cada elemento.

f) Otras ecuaciones

kg kcal S O H C bcQ PCI t t t t t ),(2624681

kg MJ W S O H C bcQ PCI t t t t t t ,025,0)(11,003,134,0

kg kJ

W S O H C bcQ PCI t t t t t t

,25)(5,1081025338

kg kcal H S

O H C bcQ PCI t t t t t ,54002500)

8(342008100

kg kJ W S bcQ t ,20339,3117790 Solo para bagazo

Ejemplo 1.2

1. Determinar el Poder ó Valor Calórico Inferior de un combustible utilizandootras ecuaciones, que tiene el siguiente análisis último o principal:

Ct = 45,5 %Ht = 3,1 %Ot = 8,4 %Nt = 0,8 %St = 3,7 % At = 13,5 %Wt = 25 %.


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Solución:

Utilizando las siguientes ecuaciones:

kg kJ bcQ

kcal kJ

kJ kcal bcQ

bcQ PCI

kg kcal S O H C bcQ PCI

t

t

t

t t t t t

52,18125

19,44325

)7.34.8(26)1.3(*246)5.45(*81

),(2624681

kg kJ bcQ

MJ kJ

kg MJ bcQ

bcQ PCI

kg MJ W S O H C bcQ PCI

t

t

t

t t t t t t

17520

100052,17

)25(*025,0)7.34.8(11,0)1.3(*03,1)5.45(*34,0

,025,0)(11,003,134,0

kg kJ bcQ

bcQ PCI

kg kJ W S O H C bcQ PCI

t

t

t t t t t t

5,17421

25*25)7.34.8(5,108)1.3(*1025)5.45(*338

,25)(5,1081025338

031.0*5400037.0*2500)

8

084.0031.0(34200)455.0(*8100

,54002500)8

(342008100

bcQ PCI

kg kcal H S

O H C bcQ PCI

t

t t t t t

kg kJ bcQ

kg kJ

kg kcal bcQ

t

t

87,17290

19,47,4126

Ejemplo 1.3

2. Determinar el valor calórico inferior del bagazo cuya análisis último es:

Ct = 23,5 %

Ht = 3,25 %Ot = 22 %Nt = 0 %St = 0 % At = 1,25 %Wt = 50 %.

Solución:


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Ecuación específica para Bagazo.

kg kJ W S bcQ t ,20339,3117790

S = Por ciento de sacarosa en bagazo (Pol en bagazo).W = Por ciento de humedad en bagazo.

Para S = 2,4 % y W = 50 %

kg kJ bcQ

bcQ

t

t

6,7564

50203)4,2(39,3117790

La determinación diaria del calor de combustión mediante calorímetros, en lasCTE no siempre es factible, por lo que se acostumbra realizarlo cada 10 días,reajustando todos los cálculos que se hayan efectuado.

Ejercicios propuestos de combustibles Sólidos

1- Cuál es el poder calórico de la cascarilla de arroz para contenido dehumedad de 5,10,15,20 y 25%, si el poder calórico superior es de 15220KJ / kg.

2- Se tiene un combustible cuyo poder calórico inferior es 16700 Kj /kg. ¿Cuál es el porcentaje de humedad si el poder calórico superior es 18260Kj /kg.?.

3- Un combustible al evaporarse produjo 2 lbm de H2O, cual es el podercalórico inferior si el poder calórico superior es 20020 Kj / Kg.

4- Encontrar el poder calórico inferior para los combustibles de la tabla N.2, para un contenido de humedad del 15%.

5- Se tiene bagazo de caña y cascarilla de arroz; con poderes calóricos

superior y contenido de humedad de 19420,15220, 45% y 11%,respectivamente. Si uno de los parámetros para seleccionar elcombustible es el poder calórico superior. ¿Cuál de los dos combustiblesseleccionaría?, justifique su respuesta.

6- Si el costo de una tonelada de bagazo es igual al de la cascarilla dearroz ($ 50.000/Ton). Y el consumo energético de la planta es elequivalente a 200 Ton de bagazo. ¿Cuánto dinero se ahorra o se


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invierte de más al quemar cascarilla de arroz?. Considere la humedaddel bagazo de caña igual al 50% y la de la cascarilla de arroz de 12%.

7- Se tiene dos combustibles a saber: cáscara de café con un podercalórico superior de 16700 Kj/kg y 7% de humedad, Mazorca de maíz

con un poder calórico superior de 19300 Kj/kg y 15% de humedad; siuna caldera para su buen funcionamiento necesita 9’802.342 Kw deenergía, ¿cuántas toneladas por hora se necesitan de cadacombustible?.

8- Para el ejercicio anterior si el costo por tonelada de cáscara de café esde $ 30.000 y para la tuza de maíz $27.000. ¿Cuánto sería el ahorro quese lograría durante un año al utilizar el combustible más adecuado?.

1.2 Combustibles líquidos

Los principales combustibles líquidos son derivados del petróleo. Desde elpunto de vista químico cualquier derivado constituye una mezcla dehidrocarburos pertenecientes a la serie: parafínica, nafténica, olefínica yaromática. Cada serie difiere en su contenido de hidrógeno y azufre. La seriepredominante son la parafínica y nafténica.

El petróleo crudo tiene un origen orgánico, puesto que procede de ladescomposición de minúsculos organismos minerales, durante cientos de milesde años, en un ambiente falto de ventilación y altas presiones. Hoy día lastécnicas de refinación del crudo se han desarrollado fuertemente y en la tabla1.11, se observa un análisis comparativo de este desarrollo.

Tabla 1.11. Análisis comparativo de las técnicas de refinación

ETAPA TÉCNICA DEREFINACIÓN

RESULTADO

PASADO Destilaciónfracciónaria

Derivados impuros:

gasolina, aceiteslubricante, etc.

Fuel oíl de alta calidad.

ACTUALILIDAD

Craqueo Térmico.Derivados de alta calidad

ReformaciónTérmica


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Polimeración

ReformaciónCatalítica Fuel oíl de menor calidad.

Hidrogenación

El petróleo combustible se clasifica en dos categorías o clases: Destilados yResiduales.

Los destilados se obtienen por vaporización durante la refinación y secaracterizan por ser limpios, libres de sedimentos y cenizas así como por subaja viscosidad. Los residuales se obtienen por vaporización y contienen casitodos los constituyentes inorgánicos presentes en el crudo, caracterizándosepor su elevada viscosidad, en la figura 1.1, se presenta el esquema básico derefinación.

El petróleo utilizado para la generación de electricidad es básicamente elresidual y como las técnicas de refinación se han perfeccionados, la calidad sedeteriora cada día más.

Caracterización del petróleo combustibleEl petróleo combustible incluye virtualmente los productos del petróleo quetienen menos contenido de volátiles que la gasolina. El rango de ellos es desdelos ligeros, cómodos para ser utilizados en maquinas o turbinas de combustióninterna, hasta los petróleos pesados que requieren de un fuerte calentamiento.Los pesados son apropiados para la generación de vapor, las especificaciones

según la ASTM, que reflejan las propiedades del combustible están en la figura1.2 y la tabla 1.12. Los destilados se clasifican en la categoría Nº 1 y 2 según la ASTME D 396, aunque el petróleo Nº 2 es utilizado en la generación de vaporen aquellas aplicaciones donde el costo de la limpieza y la facilidad demantenimiento son predominantes, sobre todo en aplicaciones decalentamiento domestico y aplicaciones industriales donde resulta importanteun bajo contenido de cenizas y azufre. Los destilados, en la generación devapor, se utilizan como combustible de arranque o apoyo.

Figura 1.1. Esquema básico de refinación del petróleo


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Los combustibles de las categorías Nº 4 y 5 son menos viscosos y quemancon mayor facilidad que el Nº 6 que es el habitualmente utilizado en lascentrales termoeléctricas. El petróleo Nº 4 puede considerarse como unamezcla de un residual con fracciones más ligeras.

Clases de Combustibles Líquidos Empleados en CalderasLos combustibles líquidos de mayor utilización en calderas en la actualidad,sean puros o mezclados son los siguientes:

ACPM (F.O. No.2) Fuel.Oil. No.6 Crudo castilla Crudo de rubiales Crudo de saldaña

El ACPM constituye una fracción de la destilación en refinería y es por lo tantoun combustible de fácil quemado. El combustóleo F.O. No.6, es un combustibleresidual utilizado en quemadores de tipo industrial. Los más pesados requierenpara su manejo y atomización un precalentamiento previo, en la figura 1.2, sepresenta la clasificación de los combustibles líquidos.

Figura 1.2. Resumen de clasificación de los F.O


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El crudo de castilla es el petróleo crudo proveniente de los Llanos Orientales,de tipo pesado, el cual es sometido a tratamientos previos de deshidratación enfrío por medio de aditivos para posteriormente utilizarlo directamente omezclado, como combustible para quemadores industriales y calderas. A cortoplazo este combustible será descontinuado debido a problemas ambientales.Un análisis típico para un F.O. contiene la siguiente información:

Análisis último Gravedad API Poder calorífico Viscosidad Punto de escurrimiento Punto de inflamación Agua y sedimentos

El estudio de los procesos de combustión se ha concentrado en las siguientesdirecciones principales:

Aprovechamiento óptimo de la energía del combustible mediante lareducción de las pérdidas.

Minimización de los problemas de corrosión por alta y baja temperatura. Disminución del impacto ambiental causado por proceso de combustión.

Propiedades de los combustibles líquidos


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La calidad de cualquier fuel oil influye en la construcción y explotación de lacaldera y a su vez sobre todos los componentes de la central termoeléctrica,por esta razón sus propiedades constituyen características técnicasimportantes. Las propiedades se pueden dividir en dos grupos:

1.- Las controlables o dirigibles, las cuales durante el proceso de preparación

para la combustiones pueden variar hasta los valores deseados; estas son laviscosidad densidad y el contenido de humedad.

2.- Las no controlables las cuales prácticamente no varían durante el procesode preparación; estas son la ceniza, temperatura de solidificación (fluidez) y lade inflamación

A continuación se analizan brevemente cada una de estas características

Densidad: Puede expresarse en dos escalas. La gravedad Específica (G), sedefine como la relación entre el peso de un volumen igual de agua a la misma

temperatura. En la industria del petróleo la densidad API es la más utilizada. Esuna escala arbitraria calibrada en grados y que relaciona la gravedadespecífica por medio de la siguiente formula:

G = ρsustancia /ρaguaG = 141.5 / (°API 60/60 +131.5)

G = 140 / (Grados Bé 60/60+ 130)

G = lb / pie3 / 62.35 a 60 °FG = lb / gal / 8.33 a 60 °F

Ejemplo: El fuel oil Nº 6 utilizado en procesos de combustión térmica tiene unagravedad API de 8.2 a 15.6 °C calcular la gravedad específica y la densidad delaceite.

Según la ecuación anterior.G = 141.5 / (°API + 131.5)G Aceite = 141.5 / (8.2 + 131.5)G Aceite = 1.0128ρ Aceite =ρagua * Gρ Aceite = 8.33 lb / gal * 1.0128ρ Aceite = 8.429 lb / gal

En la tabla 1.12 se presentan los valores de los grados API para diferentestipos de combustibles líquidos colombianos y en la figuras 1.3 y 1.4 la relación


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del calor total de combustión y la concentración de CO2 de los combustibleslíquidos en función de los grados API.

Tabla 1.12. Rango de Gravedad API para fuel oilsTipo Rango de Gravedad API

No 2 29º - 39º

No 4 24º - 28ºNo 5 16º - 22º

No 6 6º - 15º

FUENTE: Dyer, D.F ., and 6 Maples “Boyler Eficiency Improvement, 1981

Viscosidad: Es la medida de la resistencia interna que presenta un líquido afluir. Para evaluar numéricamente la viscosidad de un combustible, se utiliza elviscosímetro cinemático directo cuya unidad de medición es el centistoke (Cst)y el viscosímetro Seybolt cuyas unidades de medición son el Segundo SeyboltUniversal (SSU) y el segundo Seybolt Furol (SSF). En Europa se utiliza el

método Reedwood y el Engler.

Desde el punto de vista de control de eficiencia de la combustión se debe teneren cuenta que la presencia de agua emulsificada proveniente de cualquierproceso incrementa la viscosidad de combustible. En la tabla 1.13, se presentala variación de la viscosidad con la temperatura y el contenido de agua de unF.O.

Figura 1.3. Relación de calor de combustión de combustibles líquidos


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Fuente: Steam ist generation and use B8W. 1992

Figura 1.4. Relación de la concentración de CO2 en función de la gravedad API

Tabla 1.13. Viscosidad de un F.O pesado como función de % agua y Temperatura% Agua Viscosidad, CentipoicesA 60ºC A 120ºC

40 950 75

20 400 4210 300 32

0 200 22

FUENTE: Borras T.G “Improving Boiler Performance”, 1984


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La viscosidad cinemática del petróleo está relacionada con su viscosidadabsoluta por la siguiente fórmula

Viscosidad cinemática (cSt) = pecificaGravedadEs

tacSt idadabsoluvis cos

En la tabla 1.14, podemos apreciar la viscosidad de algunos combustibleslíquidos en función de la temperatura.

El aumento en el valor de la viscosidad implica un mayor consumo de vapordurante el proceso de calentamiento; en general los factores de explotaciónsobre los que influye son: Trabajo optimo de los quemadores. Método y duración de las operaciones de llenado y vaciado de los tanques

de petróleo. Resistencia hidráulica. Velocidad de sedimentación de las impurezas mecánicas. Propiedad del petróleo para separarse del agua.

.Tabla 1.14. Viscosidad promedio, a diferentes temperaturas, de los petróleos combustibles.

Temperatura, o C 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

Procedencia VISCOSIDAD PROMEDIO, cSt

Mazut – 40. 3095 515 170 79 45 30 21 16 13 11

Mazut – 100 52 x103 10875 1200 293 111 55 32 21 15 12

Bunker C 11x103 1290 345 141 73 45 31 22 17 14

Ref. Cuba. 15x103 2162 830 414 243 160 113 85 66 54

Crudo Mejorado 12x103 2663 960 460 263 169 118 87 67 54

Crudo. Cubano. 75x10

3

12400 3250 1542 795 410 305 212 156 120

Los problemas que se pueden producir cuando la temperatura decalentamiento resulta menor que el valor pre-determinado son los siguientes:

Insuficiente flujo de combustible. Deficiente atomización. Retorno de la llama hacia el interior del quemador. Formación de humos en la chimenea. Formación y depósitos de hollín con el consecuente peligro potencial de

incendios’.

Los problemas causados cuando la temperatura de calentamiento es mayor que la fijada, son:

Craqueo del petróleo antes de llegar al quemador, con la consecuenteincrustación de los tubos del calentador de petróleo y hasta el posibleincendio.


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Peligro potencial de incendio.

Hay una relación directa entre la viscosidad y su temperatura, existiendo variosmodelos matemáticos logarítmicos de esta dependencia. Las normas ASME,GOST y DIN han elaborado curvas de viscosidad contra temperatura, en lafigura 1.5, se presenta las viscosidades de algunos crudos combustibles

colombianos en función de la temperatura.

Figura 1.5. Relación de la viscosidad de algunos crudos colombianos en función de la temperatura.

HumedadPara el F.O la densidad relativa a 20 0C es ρ20 < 1, la humedad contenida en elpetróleo se separa por decantación en el tanque de consumo diario, gracias aque la densidad del agua es un poco mayor, el agua se deposita (sedimenta)en la parte inferior del tanque lugar donde se extrae por drenaje.Si 20 > 1, el agua se desliza hacia la parte superior muy lentamente y estodificulta su separación, en la tabla 1.15 y 1.16, se presentan algunos valores deviscosidad en la punta del quemador según el sistema de atomización utilizado.

Con el aumento de la concentración del agua hasta valores entre 10 al 15 %,se desarrolla la corrosión en la superficie de calentamiento convectivo de lacaldera y aumenta las pérdidas de calor en los gases de escape. Algunosautores consideran que un contenido no muy elevado de agua contribuye a lapulverización del fuel y mejora sus características de inflamación.


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Destilación: Se basa en la destilación de un volumen de 100 Cm³ decombustible y determinación del porcentaje de recuperado y la temperaturacorrespondiente. Esta prueba sirve para determinar el rango de temperatura ala cual el combustible comienza a ebullir. El 50% de esta temperatura se puedeconsiderar como el punto de ebullición media.

Punto de Anilina: Se utiliza para determinar el poder calórico de loscombustibles tales como la gasolina, el Kerosene y el ACPM.

Poder calórico superior HHV: este se puede obtener de gráficos, tablas ocalcular mediante el uso de ecuaciones entre las cuales tenemos la ecuaciónde Dulong

14600 62000 40008

o HHV C H S

Donde:HHV = Poder calórico superior del combustible en Btu / lb.

C = % de carbono.H = % de hidrógenoS = % de azufre.

Ejemplo 1.4

Un fuel oil con una gravedad ºAPI de 13, contiene 88.5 % C, 9.95% H, 0.77%Oy 0.78%S, según Dulong el HHV, es:

0.007714600 0.885 62000 0.0995 4000 0.0078 19061.5 /

8 HHV Btu lb

Expresiones actuales para calcular el valor calórico de petróleosCombustibles.

a) A partir de la composición elemental del combustible.

1. Lloyd Davenport. Reino Unido, 1994

kg

kcal S M O H C VCS ),%2674()%1420()%2020(%27144%8552 2

.2. IDAE, España, 1990

kg kcal H O H S

O H C VCI ),%5400()%600()%2500(

8

%%34200)%8100( 2

b) A partir de la densidad del combustible.

1. IDAE, España, 1990


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kg kcal d VCI ),2100(12400

.2. Ministerio de Energía, España, 1990.

kg kcal O H d VCI ),7000()3200(12925 2 3. Eduardo López Bastida, Cuba 1995.

)%6,114()1,7545(6,17473 2O H d VCS Para Fuel Oíl.

)%7,14()%4,98()0,6792(9,16767 2 S O H d VCS Para Crudos.

Donde:

d = densidad del combustible%H2O = porcentaje de agua%S = Porcentaje de azufre

4. Unión del combustible, Cuba, 1991

kg kcal O H API VCS ),%100()50(9440 2

Donde:

ºAPI = Grados API del combustible%H2O = porcentaje de agua

5. Formula de Dulong´s, para combustibles sólidos y líquidos.

S O

H C HHV

4050

86202814544 2

Donde:

HHV = PCS = Valor calórico superior, BTU/lb.C = Fracción másica de carbono.H2 = Fracción másica de hidrógeno.O2 = Fracción másica de Oxigeno.S = Fracción másica de azufre.

)94,8(30,10 2 H HHV LHV Donde:

LHV = PCI, = Valor calórico inferior neto, BTU/lb.H2 = Por ciento en masa de H2, en el combustible, %.


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6. Petróleo combustible pesado.

%,

,24214

)9(6

t t

t t

cond

cond

W H

kg kJ W H Q

Q PCI PCS HpWpVCI VCS

Donde:VCS = Valor calórico superior, kcal/kg.VSI = Valor calórico inferior, kcal/kgWp = % de agua en peso.Hp = % de hidrógeno en peso.

7. En la determinación del Poder Calorífico superior de un combustible líquidotambién se suele utilizar la densidad API:

HHV = 17,687 + 57.9 (°API) Btu/lb

Perdida aparente del calor por calentamiento: El poder calórico de un galónde combustible, varía con la temperatura, en otras palabras, si el aceite escalentado a una alta temperatura, el galón de este se expande y su podercalórico será menor, de esta manera al calentar y medir los galonesconsumidos, aparente mente hay una perdida de calor, si no se hace el ajuste,en la tabla 1.17, se presentan algunas propiedades de los hidrocarburos.

Tabla, 1.17. Propiedades de los hidrocarburos


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Análisis de combustibles líquidos

Teniendo como base los hidrocarburos parafínicos de más alto contenido dehidrógeno y los aromáticos de mínimo contenido de hidrógeno la Universal OilProducts Company estableció una caracterización del petróleo y sus derivados.

El factor de caracterización (K) fue definido por (U.O.P) mediante la siguienteecuación:

K = [³√ (T.e.m)] / SG donde

K = Factor de caracterizaciónT.e.m = Temperatura de ebullición media en (ºR) a 1 atm.SG = Gravedad específica a 60 ºF.

La propiedad anterior nos permite calcular el contenido de hidrógeno de un

combustible libre de azufre, mediante la utilización de la figura 1.6.

Un análisis último de un F.O. es similar en información al de un carbón.Normalmente este reporta datos de: contenido de azufre, hidrógeno, carbón,nitrógeno, oxígeno y ceniza, en la figura 1.6, se presenta el porcentaje dehidrógeno en función del factor de caracterización y el punto de ebulliciónmedio

Cuando se trata de combustibles residuales, no es corriente determinar latemperatura de ebullición media; en este caso debe utilizarse la viscosidad y laFigura 1.7, para el conocimiento del punto de ebullición medio y el factor de

caracterización.

Figura 1.7. Porcentaje de hidrógeno en fusión de la temperatura de ebullición media y el factorde caracterización


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Figura 1.8. Punto de ebullición medio en función de la viscosidad.

Figura 1.9. Densidad API Vs Punto de ebullición medio

La relación atómica (H/C) podrá determinarse por la fórmula:


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12%Re ( / )

100 %

H laciónatómica H C

H

Donde H es el porcentaje de hidrógeno en el combustible. Los resultados

obtenidos mediante las relaciones anteriores son lo suficientemente válidospara las pruebas de rutina, sin embargo para combustibles muy viscosos elerror del punto de ebullición medio puede alcanzar hasta 50°F (10°C), debido ala gran variación que experimenta la viscosidad para pequeños cambios en lagravedad específica.

Los F.O. son generalmente comercializados sobre la base de su volumen atemperatura de 60°F (16°C). Para diferentes temperaturas, se aplican factoresde corrección de volumen, dependiendo del rango de gravedad API del F.O.

Como referencia en la tabla 1.18, se presenta información de algunas

características promedio importantes para el control de combustión de algunoscombustibles colombianos.

Tabla 1.18. Características típicas de combustibles Colombianos para calderas de vapor

La gran variedad de los Fuel oíl, que tienen diferentes propiedades físico

químicas, no coincidente en muchos casos con las características para las quefueron diseñadas las actuales instalaciones industriales, provoca pérdida deeficiencia y corrosión excesiva sobre todo cuando no se realizan previamentelos ajustes requeridos para las nuevas cualidades. Por ejemplo, el crudocubano posee como característica el tener alto contenido de azufre y elevadaviscosidad. A continuación se resume en tabla 1.19, algunas propiedades depetróleos crudos de diferentes procedencias.


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Tabal 1.19. Propiedades de los petróleos crudos en otras regiones

Propiedades Pesado deArabiaSaudita

BachenqueroVenezuela

MinasIndonesia

LaderaNorteEst.

UnidosoAPI a 15,5 o C 28 17 35 27% de Azufre 2,8 2,4 0,09 1,04% Carbono Conradson 7,8 10,5 3,0 5,0

Viscosidad (40 oC) cSt 19 295 26 16

PropiedadesRomasquino

RusiaVaradero

CubaMazatlánMéxico

TanchincChina

oAPI a 15,5 o C 32 10 13 33

% de Azufre 1,6 7,8 3,0 0,04% Carbono Conradson 4,5 12,3 12,3 2,7Viscosidad (40 oC)cSt

7,4 600 345 28

El arte de utilizar fuel oil de baja calidadEl arte de quemar Fuel oíl de baja calidad radica en minimizar las afectaciones

que estos causan a: la instalación, el medio ambiente y la seguridad delpersonal.

Los elementos principales que se deben tener en cuenta al emplear el crudocubano como combustible son los siguientes:

Peligrosidad sobre del personal explotación Contaminación ambiental por: Productos de la combustión (Lluvia ácida;

corrosión) y mala manipulación Daños a la instalación debido al aumento de la suciedad, corrosión y

deterioro de los filtros, calentadores, flujómetros, tanques y líneas de

interconexión Buscar el máximo de eficiencia a través de: Diagnósticos especiales,

Régimen correcto de operación a diferentes cargas (carta de régimen),Incrementar los análisis y los parámetros a controlar

Incremento del consumo específico del bloque al operar con unatemperatura de los gases de escape más elevada

Incremento del insumo eléctrico al manipular mayor volumen de gases y enconsecuencia una resistencia hidráulica incrementada

Incremento del consumo de vapor en el calentador de petróleo dada lamayor viscosidad del mismo y al aumento del flujo al reducirse su valorcalórico

Incremento de los costos de mantenimiento debido a: Mazut, el cual procede de la antigua Unión Soviética Bunker C, cuya procedencia puede ser de diversos países de la cuenca del

Caribe, por ejemplo: Venezuela, Colombia, Curazao, AntillasNeerlandesas, Trin9dad Tobago.

Refinados en Cuba


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Petróleo Crudo Mejorado. Este consiste en mezclar Crudo Cubano de altaviscosidad con Cúter Stock entre el 10 y 15 %, para reducir la viscosidadhasta 1500cSt a 50 o C.

Las características del Cútter Stock son: Densidad a 15,5 o C, menor que 0,95 g / cm3 Viscosidad a 50 o C, menos de 15 cSt Azufre, 2,0 % Punto de Fluidez, 10 o C

En las tablas 1.20, al 1.25, se presentan algunas propiedades característicasde los F.O

Tabla 1.20. Propiedades de algunos crudos pesados y ligerosPropiedad CUBA RUSIA

Ligeros Pesados M 40 M 100

o API a 15,5 oC

% Azufre 2,5 4,0 2,5 3,5% Agua 1,5 2,0% Cenizas 0,1 0,2 0,2 0,2Visc (50) cSt 180 650 97 780Visc (60) cSt 90 200 50 360Visc (80) cSt 28 80 18 80Punto Inflamación °C 62 62 95 65

Tabla 1.21, Clasificación de los petróleos residuales según contenido de azufre

PAIS CONTENIDO DE AZUFRE %Bajo Medio Alto Muy Alto

E. U. < 1 1 --- 2 2 – 3 > 3RUSIA < 0,5 0,5 – 2 2 – 3

Tabla 1.22. Especificaciones de calidad de diferentes petróleos combustibles; Fuel Oíl altovanadio (mediano y pesado).

Índice U/M Método de ensayoValor

Mediano. Pesado.

Viscosidad a 50 oC CST ASTMD 445 ó D2161 181-350 351-650(1)

Azufre %m/m ASTMD 129 ó D1551 3,5 3,5Temperatura deinflamación.

oC ASTMD 93 62 62

Temperatura defluidez

oC ASTMD 97 16 16

Cenizas %m/m ASTMD 482 0.10 0.10Carbón coradzon %m/m ASTMD 186 14 14Valor Calórico neto Kcal/kg ASTMD 240 ó

ASTMD 48689600 9600


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Densidad a 15 oC g/cm3 ASTMD 1298 0.9924 0.9924Gravedad a 15 oC o API ASTMD 287 ó

ASTMD 129811 11

Agua pordestilación

%v/v ASTMD 95 1.5 1.5

Sedimentos porextracción

%m/m ASTMD 173 0.15 0.15

Vanadio Ppm ASTMD 1548 400 400Sodio Ppm ASTMD 1318 70 70 Asfáltenos %m/m IP - 143 12.0 12.0

Tabla 1.23. Fuel Oil Extrapesado (Refinería Hermanos Díaz)

Índice U/M Método de ensayo Valor

Viscosidad a 50 oC CST ASTMD 445 ó D2161 1600 Azufre %m/m ASTMD 129 ó D2161 4.0Temperatura deinflamación.

oC ASTMD 93 62

Temperatura defluidez

oC ASTMD 97 16

Cenizas %m/m ASTMD 482 0.1Carbón coradzon %m/m ASTMD 186 14Valor Calórico neto Kcal/kg ASTMD 129 ó D4868 9200Densidad a 15 oC g/cm3 ASTMD 1298 0.9924Gravedad a 15 oC o API ASTMD 287 ó D1298 11 Agua por destilación %v/v ASTMD 95 1.5Sedimentos porextracción

%m/m ASTMD 473 0.5

Vanadio Ppm ASTMD 1548 400Sodio Ppm ASTMD 1318 70

Asfáltenos %m/m IP - 143 12.0

Tabla 1.24. FC 900

Índice U/M Método de ensayo Valor

Viscosidad a 50 oC CST ASTMD 445 ó D2161 900 Azufre %m/m ASTMD 129 ó D1551 6,0 Agua por destilación %v/v ASTMD 95 1,5Carbón coradzon %m/m ASTMD 189 Reportar Asfáltenos %m/m IP – 143 18Vanadio Ppm ASTMD 1548 250

Densidad a 15 oC g/cm3 ASTMD 1298 0,9994Gravedad a 15 oC o API ASTMD 287 ó D1298 10,0


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Tabla 1.25. Crudo mejorado.

Índice U/M Método de ensayoValor

Crudo1400

Crudo900

Crudo650

Viscosidad a 50oC

CST ASTMD 445 óD2161

1400 900 650

Azufre %m/m ASTMD 129 óD1551 6,0 Agua pordestilación

%v/v ASTMD 95 2,0

Carbón coradzon %m/m ASTMD 189 Reportar (2)Densidad a 15 oC g/cm3 ASTMD 1298 0,9994Gravedad a 15 oC o API ASTMD 287 ó

D129810,0

Sales comoNaCL

Ppm (2) Reportar (2)

(2): Reportar según método de ensayo de cada entidad.

Ejemplo 1.7Se requiere saber la formula química del ACPM cuyas características típicasson las siguientes:Gravedad API = 30Temperatura Media (°F) =572 Azufre (% peso) = 0.5

Mediante la Figura 1.9, se determina lo siguiente:a) Factor de caracterización (K) = 11.5b) Masa Molecular = 230El factor de caracterización también puede obtenerse a partir de ecuación, así:

Tb (°R) = 572°F + 460 = 1.032°RG = [141.5/(°API) + 131.5] = 0.876

3 103211.54

0.876 K

A partir de la Figura 1.7 se tiene:H (% peso) = 12.5%C (% peso) = 100 - 12.5 = 87.5%

La composición anterior se considera sobre una base libre de azufre. Lafórmula condensada del combustible se calcula en la siguiente forma: Átomos de C = (87.5/12) = 7.29 Átomos de H = (12.5/1) = 12.5

Relación atómica (H/C) = (12.5/7.29)) = 1.714

Fórmula: (C H1.714)n


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Para determinar el valor de n se utiliza la masa molecular obtenidaanteriormente, así:

n = (230/13.714) = 16.77

Fórmula: (C H1.714)16.77

Lo anterior indica que la molécula de ACPM es una mezcla de hidrocarburoscon un promedio de carbones de 16.77. Conocer más acerca de lacomposición de un combustible líquido como el ACPM es costoso e implica otrotipo de análisis cuyos resultados finales no son importantes para la aplicacióncomo combustible de calderas.

Por cada 100 gr de combustible hay 0.5 gr de azufre, por tanto:átomos de azufre = (0.5/32) = 0.0156

0.0156

0.00214 /7.29

átomos de S

átomosde S átomos deC átomosdeC

Como se puede ver, la cantidad de azufre es muy baja y el SO2 formado apartir de él no es una cantidad significativa en el volumen de los gasesproducidos en la combustión. Solo debe tenerse en cuenta por su efectocorrosivo en las partes internas de calderas y chimeneas metálicas.

Los cálculos anteriores son válidos para fracciones combustibles de petróleo,incluidos los aceites residuales como el F.O. No.6, pero no ofrecen garantíacuando se trata de crudos de petróleo.

Mezclas de CombustiblesLos combustibles se mezclan por dos razones: primero para conseguir ciertasespecificaciones y segundo para hacer más fácil su manejo. Entre losprocedimientos de mezcla, podemos comentar los siguientes:

1. El combustible pesado (grados No.5 y 6) es bombeado primero al tanque yposteriormente al combustible liviano utilizando una boquilla en la parte inferiordel tanque.2. El aceite liviano bombeado (recibido) primero, luego, por la parte superior deltanque se recibe el combustible pesado. En este caso es importante evitar la

generación de corrientes estáticas.3. Medios mecánicos (tuberías en tanques, bombas, medidores, recirculación,mezcladores, etc.).4. Preparar una mezcla de determinada viscosidad, utilizamos la figura 1.9, lacual nos permite conocer las proporciones en volumen de dos o máscombustibles, conociendo sus viscosidades a la misma temperatura.

Ejemplo de Aplicación:


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Si la viscosidad del ACPM es 37 SSU a 100°F (38°C) y la del F.O. No.6 es5,000 SSU a 100°F (38°C), cuál será la mezcla óptima para lograr unaviscosidad de 600 SSU a 100°F (38°C).

figura 1.9 a 100%, el punto que coincide con 5.000 SSU.

1.9 a 100%, el punto que coincide con 37 SSU. Trazamos una recta entre los dos puntos.

hasta la diagonal trazada y luego hacia arriba, encontrando que almezclar 75% de F.O. No.6 con 25% ACPM (100 - 75 = 25%)obtendremos la mezcla con viscosidad de 600 SSU a 100°F (38°C).

Figura 1.9. Mezclas de combustibles líquidos


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Ejercicio de combustibles líquidos1. Definir la formula química de los siguientes combustibles:

b) Los crudos reportados en la tabla 1.25.c) El combustible FC 900 de la tabla 1.24.d) El F.O, extrapesado de la tabla 1.23.e) El F.O de alto vanadio, pesado y mediano de la tabla 1.22.f) Los petróleos combustibles de la tabla 1.20.

2. Para los combustibles anteriores encuentre el poder calórico superior e inferioraplicando las respectivas ecuaciones.

3. Se requiere mezclar crudo de castilla con ACPM para obtener una viscosidad de450 SSU, determine las cantidades a utilizar en la mezcla.


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1.3 Combustibles GaseososLos principales combustibles gaseosos son el gas natural, el gas de alto horno,el gas de hornos de coque, el propano y el butano. Los combustibles gaseososson los que mayor facilidad ofrecen para la combustión puesto que solo serequiere mezclarlos con el aire, con una ventaja adicional que es uncombustible muy limpio.

El gas natural contiene en general hidrocarburos gaseosos del C1 al C4 juntocon gasolina ligera y agua cuando proviene de pozos productores de petróleo.Si el gas es procedente de pozos secos, es principalmente metano y etano, conpequeñas cantidades de impurezas, tales como hidrógeno, nitrógeno y gasesinertes.

Cuando un combustible gaseoso tiene una composición más complicada(mezclas de hidrocarburos saturados y no saturados), la determinaciónanalítica particular de cada componente en la mezcla no es factible para finesindustriales ordinarios. Un método sencillo para determinar la composición

aproximada, consiste en determinar por separado el carbono y el hidrógeno.Los hidrocarburos parafínicos saturados se indican como un compuestohipotético Cn H2n+2 que representa la composición media de la mezcla deparafinas en el gas. En la misma forma los hidrocarburos no saturados seindican en función de un compuesto hipotético CnHm. Un análisis promedio deeste gas podría ser:

CO 40%C2,5H4,2 (no saturados) 7%C1,2H4,4 (parafinados) 11%H2 42%

Plan de Masificación del Gas en ColombiaDesde 1989 fue lanzado por el gobierno colombiano el plan de promoción degas natural para la utilización racional de energía en la industria, así como elsuministro de energía en zonas aisladas. Las principales metas a lograr son lassiguientes:

2010.

estratos de menores recursos económicos. Penetración progresiva del GLP (Gas Licuado de Petróleo) en el área

rural para sustituir el alto consumo de leña en el rector residencial.

2010 a 8719 MW (base gas). Ahorro de electricidad entre 3600 y 3800 GWH (Giga Watios Hora) para

el año 2000, equivalente al 4% de la demanda total de potenciaproyectada.


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gasoductos, incrementar la exploración y explotación de los yacimientosde Opón y Volcanera y la construcción de la segunda plataforma deChuchupa en la Guajira y en la construcción de centrales térmicas a gas.

10%, Crudo de Castilla 10%, GLP entre 60 y 80% y ACPM 60%.

turalcomprimido (GNC) y GLP en el sector transporte. Contar con cerca de200 estaciones de llenado para abastecer de gas natural a por lo menos3.000 vehículos en el año 2000.

Reordenamiento institucional mediante la creación de una empresa dededicación exclusiva a la construcción y operación de gasoductosECOGAS

Propiedades del Gas NaturalLas propiedades del gas natural y las condiciones de operación del sistema degas combustible, representan parte de la información que manejan losdiseñadores y operadores de plantas. Algunos de los parámetros másimportantes son: flujo, presión, temperatura, puntos de rocío, contenido deagua y condensados, composición, peso molecular, densidad y poder caloríficoentre otros.

Algunas Características promedio del gas natural son:Poder calorífico: 35.315 a 44.143 Btu/m3 (1000 – 1250 Btu/pie3)Densidad relativa: 0.5 – 0.8Límite de inflamabilidad: 4 – 15%Número de Wobbe: 1397 – 1414 Btu/m3

Sulfuro de hidrógeno: < 5 partes por millónComposición del Gas NaturalNormalmente la composición del gas es dada en base seca y porcentualmenteen volumen.En la tabla 1.26, se dan los datos promedio de composición del gas natural.

Tabla 1.26. Composición del gas natural


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En la tabla 1.27, se presentan las principales características de gasesprovenientes de diferentes campos de producción en Colombia

Tabla 1.27. Características de gases provenientes de diferentes campos Colombianos

Fuente: Ecopetrol división gas natural y comestibles domésticos, 1997


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FUNDAMENTOS DE COMBUSTIÓN

La COMBUSTIÓN puede ser definida como la combinación química rápida deloxígeno con elementos combustibles. Los tres elementos químicos másimportantes son: carbono, hidrógeno y azufre.

El azufre aunque como fuente de calor no tiene mucha significación, su mayorimpor-tancia radica en la incidencia que tiene como generador de problemas decontaminación y corrosión en equipos.

Usualmente el aire es la principal fuente de oxígeno para la combustión, tantopara calderas como hornos de diferente tipo.Las reacciones de combustión son exotérmicas, y el calor liberado esaproximadamente 14,100 Btu/lb (32,840 KJ/Kg) de carbono quemado y de61,100 Btu/lb (142,307 KJ/Kg) de hidrógeno quemado.El objetivo de una buena combustión es liberar todo este calor, tratando deminimizar pérdidas debidas a imperfecciones de combustión y aire superfluo.

En principio, esto se consigue con el cumplimiento de las siguientes trescondiciones de la combustión (Tres Tes): suficiente temperatura para iniciar elproceso; turbulencia que permita una mezcla íntima entre las moléculas deoxígeno y elementos combustibles y suficientetiempo para completar la combustión.

3.1 LEYES FUNDAMENTALES DE LA COMBUSTIÓN

Las leyes físicas fundamentales sobre las cuales se rigen los procesos decombustión son las siguientes:

3.1.1 Conservación de la materiaLa materia ni se crea ni se destruye. Si A libras de combustible se combinancon B libras de aire, siempre resultarán A+B libras de productos de combustión.

3.1.2 Conservación de la energía

La energía no se crea ni se destruye. En los procesos de combustión, laenergía química del combustible se transforma en calor.

3.1.3 Ley de los gases ideales

El volumen de un gas ideal es directamente proporcional a su temperaturaabsoluta e inversamente proporcional a su presión absoluta. Un gas ideal sedefine como una sustancia cuya ecuación de estado es:

u R Pv T M

Donde Ru se conoce como "constante universal de los gases", M la masa molarde la sustancia. El valor de Ru es:


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Ru = 8,31441 KJ/Kmol.K = 1,9859 Btu / lb mol.ºR =1,545.3 pie.lbf/lbmol.- ºR.

La cantidad Ru /M se conoce como constante del gas R para un gas particular,de forma que la ecuación de un gas ideal se convierte en:

RT = Pv

Donde:

v = Volumen del gas pie3/lb (m3/Kg)P = Presión absoluta, lb/pie2 (Kpa); 1 Bar = 105PaT = Temperatura absoluta °R = °F+460 (°K = °C+273)

NOTA: La masa de una sustancia en lb (Kg), igual a su peso molecular esllamada lb-mol (Kg.mol) de la sustancia, o en términos prácticos simplemente"mol".

Ej.: El Carbono tiene un peso molecular de 12. Por eso un mol de Carbonopesa 12 lb (Kg).Para el caso de gases ideales, el volumen ocupado por un mol es llamado"volumen molar" y es constante e igual a 359 pie3 (22,4 m3/Kgmol) a 32°F(0°C) y 14,7 Psi (1,013 Bar).

3.1.4 Ley de la combinación de los pesos

Todas las sustancias que se combinan químicamente lo hacen de acuerdo conuna relación simple y definida de pesos. Estas relaciones son exactamenteproporcionales a los pesos moleculares de los

capitulo 2 plantas termicas

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