Combustión

La combustión es la fuente de energía más importante provista por la naturaleza. Sus aplicaciones en motores de combustión interna, refinación de metales o cocción de alimentos, entre otros, hacen de ella un elemento esencial en la eficiencia de algunos procesos.

 

¿Qué es la Combustión?

 

La combustión es la reacción química rápida del oxígeno del *aire u oxígeno directo, que se define como comburente, con los distintos elementos que constituyen el combustible (principalmente carbono (C) e hidrógeno (H). Estas reacciones químicas liberan energía produciendo aumentos locales de temperatura, lo que origina un flujo de calor hacia el exterior.

* El aire está compuesto principalmente de oxígeno (O) y nitrógeno (N).

 

Tipos de Combustión 

 

  1. Completa: S  e produce cuando el total del combustible reacciona con el oxígeno. En el caso de una combustión completa, los productos de esta combustión son solamente CO2, H2O, O2 y N2. Es decir no quedan residuos de combustible sin quemar.    
  1. Incompleta: Se produce cuando parte del combustible no reacciona completamente. En este caso los productos de la combustión incluyen también hidrocarburos no quemados, como C, H y CO. 

     

    Las razones principales que influyen en este hecho son: dificultad para producir premezcla homogénea, insuficiente tiempo de residencia en la zona de combustión, enfriamiento de los productos o volumen de aire insuficiente, o una combinación de las causas anteriores.

     

    Aire Estequeométrico o Teórico

 

Es la cantidad de aire necesaria y suficiente para asegurar la combustión completa de una unidad de combustible. Cuando una unidad de combustible está mezclada con un volumen de aire igual al teórico, se define como mezcla estequeométrica.

 

Exceso de aire

 

En la práctica es casi imposible obtener una mezcla homogénea y total del combustible con el comburente (aire u oxígeno directo). Esto obliga a emplear una cantidad real de aire mayor a la estequeométrica, con el propósito de producir una combustión lo más completa posible.

 

Se denomina exceso de aire a la relación:


 

 Mientras mayor es el exceso de aire, menor es la probabilidad de una combustión incompleta, pero también disminuye la temperatura de la reacción y la eficiencia térmica del proceso. Por lo tanto, se debe tratar de emplear el exceso de aire mínimo para que se queme la totalidad del combustible.

 

Condiciones para la combustión

 

Para que ocurra la combustión, el combustible debe alcanzar la denominada temperatura de ignición. Cuando ello ocurre, el combustible comienza a arder y se forma la llama, una zona donde ocurre una rápida oxidación del combustible, liberando gran cantidad de energía, y que se produce a altas temperaturas.

 

Una mezcla aire/combustible es inflamable cuando la llama iniciada en uno de sus puntos puede propagarse.

Para cada combustible existen dos límites de inflamabilidad, fuera de los cuales la mezcla no es combustionable. Por debajo del límite inferior de inflamabilidad, la mezcla no es suficientemente rica en combustible, sobre el límite superior de inflamabilidad la mezcla es pobre en comburente (aire). Algunos límites de inflamabilidad en el aire (expresados como porcentaje de combustible en la mezcla) se presentan en la tabla siguiente:

 

Combustible
Fórmula Química
Límite Inferior %
Límite Superior %
Metano
CH4
5
14
Propano
C3H8
1,86
8,41
Butano
C4H10
2,37
9,5
Gas Natural
 
5
15

 

 

Tipos de Llama

  1. Llama de Premezcla: Una llama se considera premezclada cuando la mezcla de combustible y comburente se realiza antes de la boquilla del quemador. La cantidad de aire usualmente es menor que la estequeométrica y el aire faltante proviene del ambiente que rodea la llama, denominado aire secundario.
  2. Llama de Difusión: Una llama es de difusión cuando la mezcla del combustible y el comburente se realiza en el exterior del quemador. El gas sale por la boquilla del quemador y el oxígeno para la combustión proviene del aire circundante. Esta llama es más luminosa que la de premezcla y su luminosidad proviene de las partículas de hollín incandescentes.

Temperatura Teórica de Combustión

 

Es aquella que alcanzarían los productos de la combustión si todo el calor de la reacción fuese empleado en su calentamiento. Dado que siempre existen pérdidas de calor, en la práctica esta temperatura no se alcanza.

 

Eficiencia de la Combustión

 

Se define como eficiencia de la combustión al cuociente entre el Calor Útil Entregado y el Calor Total Entregado por el combustible, es decir:

  



Las pérdidas corresponden, casi completamente, al calor perdido en los gases de escape, el cual es proporcional a la temperatura y al volumen de dichos gases. A su vez este último depende del exceso de aire. Es decir, la eficiencia decrece al aumentar la temperatura de los gases de escape y al aumentar el exceso de aire como se muestra a continuación en el gráfico.

 

 

 

A modo de ejemplo, si consideramos un 200% de exceso de aire y 400 °C de temperatura de combustión se tiene una eficiencia de 50% (punto B), para la misma temperatura y considerando un exceso de aire del 40 % la eficiencia aumenta al 70% (punto A).

 

El exceso de aire usualmente se calcula a partir del porcentaje de oxígeno existente en los gases de combustión. En el siguiente gráfico se muestra la relación entre el exceso de aire y los porcentajes de O2 y CO2 en los gases de combustión. Por ejemplo, el punto D del gráfico significa que para un 6% de O2 el exceso de aire correspondiente es 38%.

 

 

 

¿Cómo Optimizar el Exceso de Aire?

 

El objetivo de esta tabla es entregar una herramienta para optimizar el exceso de aire con el fin de obtener el máximo ahorro de combustible. Sin embargo, deben considerarse otros factores tales como: los instrumentos disponibles, la disminución de la resonancia, la compatibilidad con el proceso y los materiales usados en la construcción de los equipos.

 

 

Tipo de Aplicación
% Exceso de Aire(a)
% CO (b)
Observaciones
Calderas de Vapor: Igneotubulares, Acuatubulares y de Agua Caliente
10-30%
 
La resonancia puede ser un problema.
Hornos muflas
5-25%
   
Hornos para fundición de cobre, hierro y sus aleaciones
 
<1%
Generalmente necesitan atmósfera reductora.
Hornos para fundición de Aluminio
<20
 
Generalmente atmósfera oxidante.
Horno de crisol para metales
 
0-1%
Generalmente necesitan atmósfera reductora.
Hornos de crisol para materiales cerámicos
10-25%
   
Generadores Exotérmicos (c)
 
0,5%-3%
La combustión rica produce un gas reductor que inhibe la oxidación.
Hornos a fuego directo, sin recirculación
20-100%
 
Depende del tipo de proceso.
Hornos a fuego directo, con recirculación
> 250%
 
Si hay solventes en el horno, pueden requerirse valores aún más altos.
Hornos a fuego indirecto y Calentadores
10-30%
   
Tubos de inmersión y radiación
15-50%
 
El objetivo es obtener una distribución del calor uniforme a lo largo del tubo.

 

a- Los niveles de exceso de aire corresponden a quemadores de premezcla y de mezcla en boquilla.

b- Se debe considerar mecanismos para quemar el CO en la chimenea. Cabe señalar que próximamente se establecerán normas de emisión de este contaminante.

c- Muestreado en horno.

 

 

NOTAS :

 

Frecuentemente es difícil controlar el exceso de aire en quemadores de tiro natural, sin embargo debe tratar de minimizarse.

La medición del exceso de aire puede ser errónea si existe un ventilador de tiro inducido no balanceado. Al haber presión negativa en la chimenea entrará aire que distorsionará la medición.

 

¿Cómo Reducir la Producción de Monóxido de Carbono en la Combustión?

 

Una combustión incompleta da origen a la formación de monóxido de carbono. Para obtener una combustión completa se deben controlar los siguientes factores:

  • Nivel de aire adecuado. El exceso de aire es esencial para una combustión completa. Una relación aire-combustible estequiométrica,aunque asegura la máxima eficiencia y temperatura de la llama,en la práctica llevará a una combustión incompleta, ya que difícilmente se lograrán las condiciones de mezcla para lograr una combustión completa. En general, se debe evitar las mezclas aire-combustible cercanas a la estequiométrica, dado que pequeños cambios en los parámetros de operación como pequeñas variaciones en el suministro de aire pueden desbalancear la relación aire-combustible,produciéndose un aumento del CO.
  • Evitar el enfriamiento de la llama causado por un elevado exceso de aire. Al aumentar el exceso de aire, la llama se enfría, lo que puede llevar a una combustión incompleta del combustible, produciéndose CO. Este problema se puede producir en los quemadores que permiten variar el consumo de combustible manteniendo fijo el suministro de aire. Al operar cerca del máximo, funciona eficientemente, pero al disminuir la entrada de combustible aumenta el exceso de aire.

 

 

 

 Por ejemplo, para un 100% de exceso de aire se tiene una temperatura máxima de 1.200°C (punto A del gráfico).

 

  • Evitar el enfriamiento de la llama por contacto con superficies frías. Cuando no existe espacio suficiente para la llama y ésta toca alguna superficie fría, (pared del hogar), se produce un enfriamiento localizado que detendría parcialmente el proceso de combustión en esa zona, lo que da origen a la formación de CO, e incluso hollín (C). Si los productos de la combustión parcial no vuelven a entrar a alguna zona de alta temperatura, éstos saldrán por los humos.

 

Niveles de Rendimiento

 

En los gráficos siguientes, se presentan los niveles de rendimiento por tipo de

combustible, para diferentes niveles de exceso de aire: