Combustión, la química del proceso y las pérdidas que se generan
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Objetivos.

Combustión, la química del proceso y las pérdidas que se generan.
Poder calórico, exceso de aire en la combustión y el volumen de los productos de la combustión.

Combustión, la química del proceso y las pérdidas que se generan.

Se da por hecho que se tienen una idea del proceso de combustión, de las reacciones que tienen lugar y que conocemos que si solamente suministramos al combustible al quemarlo, el aire que teóricamente resulte de un balance estequiométrico , en la vida práctica la combustión no se realiza completamente. Si se quiere quemar totalmente los componentes del combustible, se necesita un exceso de aire. Pero si aflojamos el control y damos mucho más aire que el exceso de aire imprescindible para una combustión total, se estará enfriando la combustión a expensa de calentar aire que no tiene ningún papel útil que jugar en la conversión de la energía en trabajo. Por lo que hay que afilar bien la punta del lápiz y a la vez mantener un control constante de cuál es el resultado de este tipo de proceso. Un resumen de las expresiones que rigen la química del proceso de combustión y el calor de reacción que se genera, se muestra a continuación:

Calor de reacción en Btu/lb-mol	Calor de reacción en kcal/kg
C + O2 = CO2 + 174600 Btu / lb-mol C + CO2 = 2CO -70200 Btu / lb-mol 2C + O2 = 2CO + 104400 Btu / lb-mol 2CO + O2 = "CO2 + 244800 Btu / lb-mol 2H2 + O2 = 2H2O + 244600 Btu / lb-mol C + H2O = CO + H2 - 70900 Btu / lb-mol C + 2H2O = CO2 + 2H2 - 71600 Btu / lb-mol CO + 2H2O = CO2 + H2 - 700 Btu / lb-mol	C + O2 = CO2 + 8066 kcal / kg de C C + CO2 = 2CO - 32244 kcal / kg de C 2C + O2 = 2CO + 4824 kcal / kg de C 2CO + O2 = CO2 + 11310 kcal / kg de C 2H2 + O2 = 2H2O + 33900 kcal / kg de H C + H2O = CO + H2 - 3276 kcal / kg de C C + 2H2O = CO2 + 2H2 - 3308 kcal / kg de C CO + 2H2O = CO2 + H2 - 32.3 kcal / kg de C
Para llevar Btu/lb-mol a kcal/kg multiplicar por 0.0462 . Veamos: 1 Btu / lb-mol x0.252 kcal/Btu x 1 lb-mol/12lb = 0.021 kcal / lb 0.021 kcal / lb x 2.2 lb/kg = 0.0462 kcal /kg
Tomado de: Fuels an their Combustion Haslam and Russell. Cap. 3

El exceso de aire se determina comparando el aire teórico con el que realmente se le suministra al quemador.

nc =	aire real
	---------------
	aire teorico

nc se expresa en porciento. Así, si el aire real es 1.2 veces el teórico, nc es igual al 20 %. Como la composición química del aire es 21 % de O2 y 79 % de N2 para un volumen del 100 % de aire, por cada parte en volumen de O2 que interviene, estaremos empleando 100/21 = 4.76 partes de aire. Observemos las cifras. Cuando se inyectan 21 litros de Oxígeno en vol. en el quemador, estamos adicionando a la vez 79 litros de Nitrógeno por cada 100 litros de aire. El oxígeno reaccionará con el combustible, pero en Nitrógeno es un gas inerte, no realiza ninguna función útil, todo lo contrario, resta energía al proceso de combustión. Por lo tanto estamos ante un proceso que nos obliga a tener un exceso de oxígeno para quemar totalmente el combustible pero no se puede sobrepasar la cantidad requerida, pues estaríamos adicionando innecesariamente gases inertes, que favorecen las pérdidas de calor.

Cada tipo de combustible, según su composición, requiere una cantidad de aire teórico (Ao) en la combustión y genera un volumen de gases productos de la combustión (Vf), también diferente. No es igual la cantidad de Ao que necesita una unidad de masa de combustible sólido, que la unidad de líquido y que la del gaseoso. Para realizar los cálculos de estos parámetros de la combustión se parte del Valor Calórico (PC)de los combustibles.

Cuando no se dispone del dato de Poder Calórico, hay que proceder a estimarlo. Mediante la fórmula de Dulong's basada en la composición química expresada en fracción en peso, se puede proceder al cálculo del Poder Calórico para los combustibles sólidos con una buena aproximación, entre el 1 y el 5%. En el caso de los combustibles líquidos, la aplicación de la fórmula reporta un porciento de aproximación de hasta el 8 %. Para los combustibles gaseosos se calculará el Poder Calórico partiendo de la fracción en volumen de los componentes gaseosos que son combustibles y de sus respectivos poderes calóricos. Como se apreciará el procedimiento de cálculo difiere según sea un combustible sólido, líquido o gaseoso. Los poderes calóricos se reportan en las siguientes bases o referencias:

El Poder Calórico superior (bruto)

a) base seca PCS(seco): Cantidad de calor generado de la combustión completa de la unidad de combustible seco. Se considera que el hidrógeno ha sido quemado y ha formado agua y el agua formada ha sido condensada. (sól. y líq. Btu/lb y gases Btu/pie3N). El poder calórico incluye el calor de condensación del agua.
b) base húmeda PCS(húmedo). Cantidad de calor de la combustión completa de la unidad de combustible sin desecar y considerando que el agua formada ha sido condensada. (sól. y líq. Btu/lb y gases Btu/pie3N). El poder calórico incluye el calor de condensación del agua.

El Poder Calórico inferior (neto)

c) base seca PCI(seco): Cantidad de calor generado de la combustión completa de la unidad de combustible seco, sin agua y considerando que el hidrógeno ha sido quemado y ha formado agua y el agua formada NO ha sido condensada. (sól. y líq. Btu/lb y gases Btu/pie3N). El poder calórico NO incluye el calor de condensación del agua.
d) base seca PCI(húmedo) (Neto) :Cantidad de calor de la combustión completa de la unidad de combustible sin desecar, considerando que el hidrógeno ha sido quemado y ha formado agua y el agua formada NO ha sido condensada. (sól. y líq. Btu/lb y gases Btu/pie3N). El poder calórico NO incluye el calor de condensación del agua.

Para los combustibles sólidos y líquidos:

La Tabla que sigue muestra las ecuaciones para determinan el Poder Calórico, el Aire teórico y el Volumen de los Productos de la Combustión para los combustibles sólidos, líquidos y gaseosos, partiendo de la composición química y teniendo en cuenta los porcientos de aproximación anteriormente reportados. Para los sólidos, se aplicará la fórmula de Dulong's. En el caso de los combustibles líquidos se aplicará la expresión que recomienda la referencia (2). En el caso de los gases, las expresiones consideran el cálculo del Poder Calórico del gas a partir de las concentraciones en volumen de los componentes combustibles que integran la muestra, su Poder Calórico y el aporte de cada uno al total

Formulaciones para determinar el Poder Calórico, Aire para la Combustión y Humos.

Poder Calórico, en Btu/lb de combustibles - Combustibles Sólidos (1)
PCS(seco)=	14544*C+61500(H-O/8) + 4500S , Btu/lb comb. desecado
PCS(húmedo)=	PCS(seco) (1-M) , Btu/lb comb.
PCI(seco)=	14544*C+61500(H-O/8) + 4500S - 9700H , Btu/lb comb. desecado
PCI(neto)=	PCI(húmedo)= PCI(seco) - 1040M , Btu/lb comb.
(1) Fórmula de Dulong's. Resultado aproximado en sólidos 5% y en combustibles líquidos hasta un 8% Steam. Its Generation and Use. The Babcock & Wilcox Company .
Poder Calórico, en Btu/lb de combustibles - Combustibles líquidos derivados del petróleo (2)
PCI(húm) =	21825 - 526 * (C/H )- 12600 S, Btu/lb
PCI(seco)=	PCI(hum) - 1040*$Mp
(2) Técnicas Conservación Energía en la Industria Cap. Combustion, pag 112.
Nota: Otras expresiones empíricas están en función de la densidad API y la relación C/H. Todas son aproximadas.

Poder Calórico Superior e Inferior - Combustibles Gaseosos (3) Vol. a 60ºF y 30"Hg
PCS(seco)=	342.5*H2 + 340*CO + 682*SH2 + 1068*CH4 + 1890*C2H6 + 2732*C3H8+ 3553*C4H10 +4247*C5H12 + 1702*C2H4 + 1581*C2H2 + 3956*C6H6 , Btu/pie3N de comb. desecado
PCS(húmedo)=	PCS(seco)(1 - H2O) + 54.2 H2O , Btu/pie3N de comb.
PCI(seco)=	289*H2 + 340*CO + 628*SH2 +959*CH4 + 1727*C2H6 + 2515*C3H8 + 3283*C4H10 + 3922*C5H12 + 1594*C2H4 + 1527*C2H2 + 3793*C6H6 , Btu/pie3N de comb. desecado
PCI(neto)=	PCI(seco) (1-H2O) , Btu/pie3N de comb.
(3)Manual Eficiencia Energética térmica en la Industria - CADEM - Grupo Eve. pag. 194 . Los PC obtenidos se corrigen a 60 ºF y 30.00 plg. de Hg.

Conjunto de expresiones para determinar el Aire primario y los humos de combustión
Vol. de aire comb. sólidos y líquidos ( Ao)(2)	humos de comb. sólidos y líquidos (Vf)(3)
Aire teórico Mas=32*4.34*($C/12+$H/4+$S/32-$O/32) (Aotseco)s-l=359*4.76*($C/12+$H/4+$S/32-$O/32)(Npie3/lb) (Aothum)s-l= (Aatseco)s-l+359/(18*2.2)**(Mas*w) , (Npie3/lb) donde Mas es masa aire seco, lb/lb y w es la humedad del aire en lb agua/lb aire seco Aire en exceso n=(O/21-O) Aire total, considerando el aire en exceso (Aorseco)s-l=Aotseco*(1+$n) (Aothum)s-l=Aothum*(1+$n)	humo teórico M= lb agua/lb comb. (Vfs)sl = 16.05*(8.89*$C+21.07*$H+3.33*$S+0.8*$N-2.63*$O), (Npie3/lb) (Vfh)sl =16.05*(8.89*$C+32.27*$H+3.33*$S+0.8*$N+1.24*$M-2.63*$O)+$VH2Oaire , (Npie3/lb) humo total, considerando el aire en exceso Vfrs=Vfs+Aotseco*($n), (Npie3/lb) Vfrh=Vfh+Aothum*($n), (Npie3/lb) #CALCULANDO LOS COMPONENTES GENERADOS EN LA COMBUSTION - EXPRESION GENERAL PARA LOS 3 ESTADOS FISICOS $VCO2=$Cfp+$CO+$CO2+$CH4+2*$C2H6+3*$C3H8+ 4*$C4H10+5*$C5H12+2*$C2H4+2*$C2H2+6*$C6H6;// MOLES DE CO2 QUE SE FORMARA EN LA COMBUSTION Y SE SUMA EL VOL DE CO2 QUE PUEDE ESTAR PRESENTE EN EL COMBUSTIBLE $VH2O=$Hfp+2*$CH4+3*$C2H6+4*$C3H8+5*$C4H10+6*$C5H12+ 2*$C2H4+$C2H2+3*$C6H6+$Mfp;// MOLES DE H2O QUE SE FORMARA EN LA COMBUSTION Y AGREGANDOLE EL AGUA PRESENTE EN EL COMB, ESTA ÚLTIMA SE CONVIERTE EN UNIDADES MOL DE AGUA. $VN2=3.76*$Cfp+3.76*Sfp+1.88*$Hfp+1.88*$CO+7.53*$CH4+ 13.18*$C2H6+ 18.82*$C3H8+ 24.47*$C4H10+ 30.11*$C5H12+11.29*$C2H4+ 9.41*$C2H2+ 28.23*$C6H6+$Nfp;//MOLES DE NITROGENO QUE SE FORMARA EN LA COMBUSTIÓN. SE AGREGA EL NITROGENO PRESENTE EN EL COMBUSTIBLE. VO2=$Cfp+$Sfp+0.5*$Hfp+0.5*$CO+2*$CH4+ 3.5*$C2H6+ 5*$C3H8 +6.5*$C4H10+ 8*$C5H12 +3*$C2H4+2.5*$C2H2+7.5*$C6H6-$Ofp; // MOLES DE O2 QUE SE REQUIERE PARA LA COMBUSTION ESTEQUIOMETRICA. $VSO2=$Sfp;//MOLES DE SO2 QUE SE FORMARÁN EN LA COMBUSTION A EXPENSA DEL AZUFRE EN EL COMBUSTIBLE. $Vairets=4.76*$VO2; $Vairers=$Vairets*(1+$n); $VN2exceso=(0.79*$Vairers)-$VN2; $VH2Oaire=$wa*1.6034*$Vairers; $Vhumos=$VCO2+$VH2O+$VSO2+$VN2+$VH2Oaire+ $VN2exceso+ $Oh;//MOLES TOTALES DE HUMOS FORMADOS.
Volumen de aire comb. gaseoso (Ao) (2)	humos para comb. gaseoso (Vf) (2)
Aire teórico a=H2O lb agua/lb comb. mH2O=9H+a+ (Mas*w) (Aotseco)g= 2.38*(CO+H)+ 9.53*CH4 + 16.68*C2H6 + 23.82*C3H8' + 30.97*C4H10'+ 38.11* C5H12 '+ 14.29*C2H4' +11.91*C2H2'+ 35.73*C6H6' - 4.76O', (pie3N/pie3N) (Aothum)g=(Aotseco)g + (359/(18*2.2) )* (a + mH2O aire ) / 100 Aire en exceso n=(O/21-O) Aire total, considerando el aire en exceso (Aorseco)g=(Aotseco)g+ (1+$n) , (pie3N/pie3N) (Aorhum)g=(Aothum)g+ (1+$n) , (pie3N/pie3N)	humo teórico H2O es el agua contenida en el combustible Vfh= 2.88(CO+H)+CO2+ N2+ 10.53*CH4+18.18*C2H6+ 25.82*C3H8+33.47*C4H10+41.11*C5H12+17.29*C2H4+ 12.41*C2H2+38.23*C6H6 (Npie3/Npie3) + H2O a=$H+2*$CH4+3*$C2H6+ 4*$C3H8+ 5*$C4H10+ 6*$C5H12+ 2*$C2H4+ 2*$C2H2+3*$C6H6 agua producida en la combustión H2O es el agua contenida en el combustible Vfs=Vfh - a - H2O humo total, considerando el aire en exceso Vfrs=Vfs*(1+$n) Vfrh=Vfh*(1+$n) #CALCULANDO LOS COMPONENTES GENERADOS EN LA COMBUSTION - EXPRESION GENERAL PARA LOS 3 ESTADOS FISICOS $VCO2=$Cfp+$CO+$CO2+$CH4+2*$C2H6+3*$C3H8+ 4*$C4H10+5*$C5H12+2*$C2H4+2*$C2H2+6*$C6H6;// MOLES DE CO2 QUE SE FORMARA EN LA COMBUSTION Y SE SUMA EL VOL DE CO2 QUE PUEDE ESTAR PRESENTE EN EL COMBUSTIBLE $VH2O=$Hfp+2*$CH4+3*$C2H6+4*$C3H8+5*$C4H10+6*$C5H12+ 2*$C2H4+$C2H2+3*$C6H6+$Mfp;// MOLES DE H2O QUE SE FORMARA EN LA COMBUSTION Y AGREGANDOLE EL AGUA PRESENTE EN EL COMB, ESTA ÚLTIMA SE CONVIERTE EN UNIDADES MOL DE AGUA. $VN2=3.76*$Cfp+3.76*Sfp+1.88*$Hfp+1.88*$CO+7.53*$CH4+ 13.18*$C2H6+ 18.82*$C3H8+ 24.47*$C4H10+ 30.11*$C5H12+11.29*$C2H4+ 9.41*$C2H2+ 28.23*$C6H6+$Nfp;//MOLES DE NITROGENO QUE SE FORMARA EN LA COMBUSTIÓN. SE AGREGA EL NITROGENO PRESENTE EN EL COMBUSTIBLE. VO2=$Cfp+$Sfp+0.5*$Hfp+0.5*$CO+2*$CH4+ 3.5*$C2H6+ 5*$C3H8 +6.5*$C4H10+ 8*$C5H12 +3*$C2H4+2.5*$C2H2+7.5*$C6H6-$Ofp; // MOLES DE O2 QUE SE REQUIERE PARA LA COMBUSTION ESTEQUIOMETRICA. $VSO2=$Sfp;//MOLES DE SO2 QUE SE FORMARÁN EN LA COMBUSTION A EXPENSA DEL AZUFRE EN EL COMBUSTIBLE. $Vairets=4.76*$VO2; $Vairers=$Vairets*(1+$n); $VN2exceso=(0.79*$Vairers)-$VN2; $VH2Oaire=$wa*1.6034*$Vairers; $Vhumos=$VCO2+$VH2O+$VSO2+$VN2+$VH2Oaire+ $VN2exceso+ $Oh;//MOLES TOTALES DE HUMOS FORMADOS.
(2) Steam. Its Generation and Use. The Babcock & Wilcox Company . Tabla ! Combustion constants, 4-2 (3) Manual de Eficiencia Energética en la Industria. CADEM, España, Cap. 6