Combustión en Calderas

La combustión: es una reacción química en la cual generalmente se desprende una gran cantidad de luz y calor. En toda combustión existe un elemento que arde (combustible) y otro que produce la combustión (comburente), generalmente oxígeno en forma de O2 gaseoso. Los explosivos tienen oxígeno ligado químicamente por lo que no necesitan el oxígeno del aire para realizar la combustión. Los tipos más frecuentes de combustible son los materiales orgánicos que contienen carbono e hidrógeno. En una reacción completa todos los elementos tienen el mayor estado de oxidación.

Los productos que se forman son el dióxido de carbono (CO2) y el agua, el dióxido de azufre (SO2) (si el combustible contiene azufre) y pueden aparecer óxidos de nitrógeno (NOx), dependiendo de la temperatura de reacción.

En la combustión incompleta los productos que se queman pueden no reaccionar con el mayor estado de oxidación, debido a que el comburente y el combustible no están en la proporción adecuada, dando como resultado compuestos como el monóxido de carbono (CO). Además, pueden generarse cenizas. El proceso de destruir materiales por combustión se conoce como incineración.

Para iniciar la combustión de cualquier combustible, es necesario alcanzar una temperatura mínima, llamada temperatura de ignición, que se define como, en °C y a 1 atm, temperatura a la que los vapores de un combustible arden espontáneamente. La temperatura de inflamación, en °C y a 1 atm es aquella que, una vez encendidos los vapores del combustible, éstos continúan por si mismos el proceso de combustión.

Combustión Incompleta: Una combustión se considera una combustión incompleta cuando parte del combustible no reacciona completamente porque el oxígeno no es suficiente. Cuando una sustancia orgánica reacciona con el oxígeno de manera incompleta formando además de dióxido de carbono (CO2) y agua (H2O) otros subproductos de la combustión los cuales incluyen también hidrocarburos no quemados, como Carbono (C), Hidrógeno (H) y monóxido de carbono (CO).En altas concentraciones los resultados de la combustión pueden ser letales. Esta reacción puede ser balanceada.

El gas natural: es el combustible fósil que emite menos CO2 por unidad de energía producida. Por tratarse de un gas, su mezcla con aire y posterior combustión es más fácil que con otros combustibles fósiles y la ausencia de partículas y compuestos corrosivos de azufre, facilitan la recuperación del calor residual y, por tanto, las eficacias de su utilización. Además, las reservas de gas natural son abundantes, y su transporte y distribución mediante tuberías enterradas hacen que su impacto sobre el paisaje sea mínimo. La combustión del gas natural, compuesto principalmente por metano (CH4), produce un 25% menos de CO2 que los productos petrolíferos y un 40% menos de CO2 que la combustión del carbón por unidad de energía producida. Se atribuye al CO2 el 65% de la influencia de la actividad humana en el efecto invernadero, y al CH4 el 19% de dicha influencia.

El gas natural produce mucho menos CO2 que otros combustibles como los derivados del petróleo, y sobre todo el carbón. Además es un combustible que se quema más limpia y eficazmente. La razón por la cual produce poco CO2 es que el principal componente, metano, contiene cuatro átomos de hidrógeno y uno de carbono, produciendo 2 moléculas de agua por cada una de CO2, mientras que los hidrocarburos de cadena larga (líquidos) producen sólo 1 molécula de agua por cada 1 de CO2 (recordemos que el calor de formación del agua es muy alto).

Como ventaja añadida es un combustible más versátil, que puede utilizar en sistemas de generación más eficientes como el ciclo combinado o la pila de combustible y su obtención es más sencilla en comparación con otros combustibles. Sin embargo, su contenido energético por unidad de volumen es bajo en comparación con otros combustibles. El 87% de todas las formas de energía que usamos corresponde a hidrocarburos.

El carbón, junto al petróleo genera 64%, el gas genera el 23% (equivalente a unos 50 millones de barriles de petróleo al día). Un 12% es generado con hidroeléctricas y plantas nucleares. Todas las demás formas de energía --eólica, solar, geotérmica, etc.-- representan solo el 1%. El gas natural es un hidrocarburo fósil atrapado bajo la tierra en depósitos que alcanzan enormes dimensiones. Como todo hidrocarburo, el gas natural, compuesto de carbono e hidrógeno, es un combustible con alto contenido de energía.

El gas natural puede ser empleado para producir hidrógeno que se puede utilizar en los vehículos de hidrógeno.

1 Nm3 (Normal metro cúbico, metro cúbico en condiciones normales, 20 °C de temperatura y 1 atmósfera de presión) de gas natural produce aproximadamente 10,4 kWh.

Se presenta el análisis teórico del proceso de combustión que ocurre en quemadores de gas natural. El comportamiento del calor disponible, la eficiencia de combustión y las emisiones contaminantes, es evaluado en función del exceso de aire y la temperatura de los gases de combustión. Se calcula el valor de la temperatura máxima de productos y su relación con el exceso y el precalentamiento del aire. Se establecen consideraciones energéticas y ambientales para el perfeccionamiento de la operación de quemadores industriales.

Se estudian algunos parámetros influyentes en el proceso de combustión como la relación entre la temperatura máxima de llama, el calor disponible en los gases de combustión, la eficiencia de combustión y las emisiones contaminantes como función del exceso de aire (relación aire-combustible), la temperatura de los reactantes y la temperatura de los gases de combustión. Todo esto como herramienta en la toma de decisiones tanto económicas como ambientales.

En el siguiente video, se muestra una caldera en Operacion.