Combustión

Ajuste de calderas pequeñas

El objetivo do una planta con funcionamiento no perjudicial para el ambiente es la combustión completa (combustión estequiométrica) del combustible y la mejor utilización posible de la planta. Un parámetro determinante para el funcionamiento óptimo es el ajuste de la combustión del aire. En la práctica, se ha demostrado que lo ideal es trabajar con un exceso do aire. A la combustión se le suministra más aire del teóricamente necesario. En la práctica se aplica la regla siguiente:

El rendimiento de combustión mínimo, sólo se consigue cuando las pérdidas por chimenea son las mínimas y se tiene un ligero exceso de aire.

Fig. 11 muestra las concentraciones de  los componentes de los gases en función de la cantidad de aire

Fig. 11: Diagrama de combustión

De forma simplificada, 1a experiencia demuestra que:

CALDERAS CONDENSACIÓN Y BAJA TEMPERATURA

Calderas de condensación y baja temperatura

¿Como se ajustan las calderas?

• Adaptar el quemador al intérvalo de capacidad de calor de la caldera

• Ajustar los gases de combustión a los valores limite como pérdida de gases de combustión

• Ajustar los nuevos sistemas hasta que los derivados de hollín sea inferior a 1

• Ajustar fa concentración de CO₂ en los nuevos sistemas aprox. 13%

• Ajustar fa temperatura de los gases de combusti6n tal como indica el fabricante

• Optimizar las concentraciones de CO

Fig. 12: El secador de gases garantiza la exactitud  en medición y protege el analizador testo 300 del daño causado por los condensados

COMPOSICIÓN DEL COMBUSTIBLE

Composición del combustible

El combustible está compuesto básicamente por carbono (C) e hidrógeno (H₂). Cuando estas sustancias se queman en aire, se consume oxígeno (O₂) . Este proceso se llama oxidación. Los elementos de la combusti6n del aire y del combustible forman nuevos enlaces.

Aire	+	Combustible		Productos combustión
Oxígeno		Carbón		Dióxido de carbono
				Monóxido de carbono
Nitrógeno				Dióxido de azufre
				Oxígeno residual
		Hidrógeno		Óxidos de nitrógeno NOx
		Azufre		Vapor de agua
		Oxígeno		--------------------------------
		Nitrógeno
		Cenizas		Residuo combustible
Vapor de agua		Agua		Cenizas

Fig. 2: Composición de los gases de combustión del combustible

La combustión del aire está compuesta por oxígeno (O₂) , nitrógeno (N₂)l una pequeña proporción de gases residuales y vapor de agua. El aire teórico necesario para una combustión completa L_min no es suficiente en la práctica. Para conseguir una combustión completa óptima, debe suministrarse más aire que el te6ricamente necesario al generador de calor. La relaci6n entre cantidad actual de aire y el te6ricamente necesario se llama exceso de aire X (lambda). Lo que se pretende alcanzar es la máxima eficiencia con el menor exceso de aire posible, cuando las proporciones de inquemados y pérdidas por chimenea son mínimas. El siguiente modelo de combustón es ilustrativo:

Combustión ideal

Combustión actual

Combustibles sólidos

Los combustibles só1idos incluyen carbón, carb6n bituminosos, turba, madera y paja. Los componentes principales de estos combustibles son: carbono (C), hidrógeno (H₂), oxígeno (O₂) y pequeñas cantidades de azufre (S) y agua (H₂0). Los combustibles sólidos se diferencian principalmente por su poder calorífico, siendo el carbón el de mayor poder calorífico seguido del carbón bituminoso, la turba y la madera. El principal inconveniente de su uso es la gran cantidad de cenizas, partículas sólidas y hollín que generan. Esto obliga a disponer de medios mecánicos para eliminar estos "residuos" (por ej. parrilla de agitación).

Combustibles líquidos

Los combustibles líquidos son derivados del petróleo. Este se trata en refinerías obteniéndose gasoil ligero, medio y pesado. En calderas de calefacción se utiliza principalmente gasoil ligero y pesado. El gasoil ligero se utiliza ampliamente en pequeñas plantas de combustión y es id6ntico al fuel. El gasoil pesado debe calentarse previamente antes de utilizarlo como un fluido. Con el gasoil ligero esto no es necesario.

Combustibles gaseosos

Los combustibles gaseosos son una mezcla de gases combustibles y no combustibles. Los componentes de gases combustibles son hidrocarburos (ej. metano, butano), monóxido de carbono (CO) e hidrógeno (H₂). El principal combustible gaseoso utilizado actualmente en calefacción es el gas natural, cuyo principal componente es el metano (CH₄). Una pequeña proporción de calderas domésticas (10%) utilizan gas ciudad, que comprende principalmente hidrógeno (H₂) monóxido de carbono (CO) y metano (CH₄). Sin embargo, ej poder calorífico del gas ciudad es solo la mitad del gas natural.

MEDICIÓN DE CO EN CALDERAS DE GAS

Medición de CO en calderas de gas

Para proteger la seguridad do los operadores del sistema se chequean las calderas de gas. Debe asegurarse que se han ido completamente los gases do combustión. Esto es particularmente importante en calderas de gas sin tiro forzado, ya que los gases do combustión sólo se eliminan a través del tiro natural. Si se obstruyen las 1íneas do los gases do combustión, los gases podrían entrar en la sala de la caldera a través del control do caudal poniendo el operador en peligro. Para prevenirlo, se mide la concentración de monóxido do carbono (CO) en las calderas con una cámara do combustión abierta y en calderas sin ventilador y se chequean ]as líneas de gases do combustión. Esta medida do seguridad no es necesaria en calderas do tiro forzado ya que los gases do combustión están forzados a la chimenea.

Controles de seguridad en calderas de gas con una cámara de combustión abierta y en quemadores sin ventilador La siguiente lista de control incluye todas las tareas necesarias para una inspección completa de las líneas do gases de combustión.

Lista control para la inspección de las líneas de gases de combustión en calderas atmosféricas:

Medir la concentración de monóxido de carbono (C0) en los gases de combustión

El nivel de CO y los niveles de C02 o 02 se miden en los gases do combustión diluidos con aire limpio (después del control do caudal). Para una clara valoración de que el sistema trabaja correctamente, debe calcularse el CO no diluido. Si se añade aire es posible que el nivel de CO sea inexacto. Para este cálculo se necesita el nivel de oxígeno en los gases de combustión. La concentración de 02 debe medirse simultáneamente con la concentración de CO.

No es suficiente una sola medición de CO

En el instrumento do medición se calcula la concentración de CO no diluido (CO_corregido) y se expresa como C0_{no diluido} (CO_corregido) (puCO). No debe llevarse a cabo la medición hasta que la caldera de gas no haya trabajado durante al menos 2 minutos. El nivel de CO que aumenta cuando el sistema se pone en marcha cae al nivel normal do trabajo después do 2 minutos.

Valor límite de CO no diluido (CO_corregido) (PUCO): 1000 ppm

CO_corregido

MEDICIÓN DE SO2

Medición de SO₂

El dióxido de azufre (S0₂) en el gas de combusti6n se produce en la combustión de combustibles sulfurosos como el fueloil, carbón o combustibles mixtos. El dióxido de azufre (S0₂ ) es ligeramente soluble en agua. Si la temperatura del gas de combustión cae por debajo del punto de rocío del valor de agua, existe el riesgo de que se forme ácido sulfúrico a partir del condensado. Estos hollines suben por la chimenea y polucionan el agua residual.

PARÁMETROS DE COMBUSTIÓN

Parámetros de combustión

4.1 Parámetros medidos directamente

Opacidad

La opacidad se determina utilizando un instrumento similar a una mancha de bicicleta. Se envía una cierta cantidad de gases de combustión a un filtro de papel mediante un cierto número de bombeos. El tono de gris de la mancha que se produce en el filtro de papel se compara con una escala de tonalidades de grises con diferentes números. La opacidad determinada de esta forma (de acuerdo con Bacharach ) estd entre 0 y 9. En las calderas de gas no se realiza esta determinación.

Derivados del petróleo (Residuos del petróleo)

Cuando la combusti6n es incompleta debido a una insuficiente atomización, los hidrocarburos inquemados (CxHy) forman un depósito en el filtro de papel que se utiliza para medir la opacidad. Se pueden detectar por observaci6n y se evidencian utilizando un disolvente.

Capacidad/Tiro

En calderas de tiro natural, la capacidad o tiro es la condensación básica para que los gases de combustión salgan por la chimenea. Debido a que la densidad de los gases residuales calientes es menor que la del aire frío externo, en la chimenea se crea un vacío parcial. Esto se conoce como tiro. Este tiro succiona el aire de la combustión y supera cualquier resistencia de la caldera o del tubo de gas. En calderas presurizadas, el ratio de presión en la chimenea puede despreciarse ya que en este caso el tiro forzado crea la presión necesaria para eliminar los gases residuales. En plantas de este tipo pueden utiliza un diámetro menor.

Óxidos de nitrógeno (NO_x)

Medir los óxidos de nitrógeno ofrece un medio para controlar las mediciones de combustión efectuadas para reducir los óxidos de nitrógeno fuera de la caldera. El término óxidos de nitrógeno (NO_x) se refiere al total de monóxido de nitr6geno (NO) y dióxido de nitr6geno (NO₂). En calderas pequeñas (otras que las calderas de condensación), la proporción entre NO y NO₂ es siempre la misma (97% NO, 3% NO₂)' Por lo tanto, los óxidos de nitrógeno (NO_x) se calculan normalmente a partir de la medición del mon6xido de nitrógeno (NO). Si se necesita una medici6n precisa de NO_x deben medirse y adicionarse a ]a vez el mon6xido de nitr6geno (NO) y el dióxido de nitrógeno (NO₂).

4.2 Parámetros calculados

Pérdidas por chimenea (qA)

Después de determinar el contenido en oxígeno y la diferencia entre la temperatura ambiente y la de los gases de combustión, se pueden calcular los factores específicos que las pérdidas de calor del combustible. En lugar del contenido de oxígeno, se puede utilizar la concentración de di6xido de carbono (CO₂) para el cálculo. La temperatura de los gases de combustión (TH) y el contenido de oxigeno o el contenido de di6xido de carbono (CO₂) deben medirse simultáneamente en un único punto.

Concentracidn de didxido de carbono (C02)

El contenido de dióxido de carbono de los gases de combustión da una indicación de la calidad (rendimiento) de la caldera. Si la proporción de CO₂ es tan elevada como sea posible con un ligero exceso de aire (combustión completa), las pérdidas por chimenea son menores. Para cada combustible hay un contenido en los gases de CO₂ máximo posible (CO₂ max) determinado por la composición química del combustible y que no es posible alcanzar en la práctica.

CO_{2 max} - valores para diferentes combustibles:

Para calcular los valores de CO₂ pueden utilizarse los valores de CO_{2 max} y el contenido del oxígeno de los gases de combustión.

Exceso de aire

El oxígeno necesario para la combustión se suministra a la planta de la caldera a través del aire de combustión. Para conseguir una combustión completa, la combustión necesita disponer de más cantidad de aire de la teóricamente necesaria. El ratio del exceso de aire de combusti6n para el aire te6ricamente necesario se llama exceso de aire.

Rendimiento se calcula a partir de ]as p6rdidas por chimenea (qA) y las pérdidas por inquemados (qi), de acuerdo con la formula siguiente:

REN = 100 - qA - qi

¿QUÉ SON LOS GASES DE COMBUSTIÓN?

¿Qué son los gases de combustión? El incremento de todo tipo de combusti6n es un agente contaminante del ambiente con concentraciones siempre mayores de polución. La formación de humos, la lluvia ácida y el aumento del número de alergias son consecuencias directas de este desarrollo. La solución para una producción de energía que no perjudique el medio ambiente debe, por lo tanto, suponer una reducción de las emisiones contaminantes. Los contaminantes en los gases de combusti6n sólo pueden reducirse eficazmente si las plantas existentes operan con el máximo rendimiento posible o si se cierran las calderas nocivas. El análisis de los gases de combustión ofrece un medio para determinar las concentraciones de contaminantes y para ajustar al máximo rendimiento las instalaciones de calor.

1.1 Unidades de medición

La presencia de contaminantes en los gases de combusti6n puede detectarse a partir de ]a concentraci6n de los compuestos del gas. Generalmente, se utilizan las unidades siguientes:

ppm (partes por millón)

Corno " el tanto por ciento (%)" ppm describe una proporción. Por ciento significa "un número x de partes de cada cien", mientras que ppm significa "un número x de partes en cada millón". Por ejemplo, si en un cilindro de gas hay 250 ppm de mon6xido de carbono (C0), entonces, si partimos de un mi116n de partículas de gas, 250 son de mon6xido de carbono. Las otras 999.750 partículas son de nitrógeno (N2) y de oxigeno(02 ). La unidad ppm es independiente de la presión y la temperatura, y se utiliza en concentraciones bajas. Si la concentraci6n presente es elevada, se expresa en porcentaje (%). La conversi6n es como sigue:

Ejemplo:

Una concentraci6n de oxígeno del 21 ,, es equivalente a una concentraci6n de 210.000 ppm 02.

mg/Nm³ (miligramos por metro cúbico)

Con la unidad mg/Nm 3, el volúmen normal (normal metros cúbicos, Nm3) se toma como una variable de referencia y la masa del gas que poluciona se indica en miligramos (mg). Como esta unidad varia con la presión y la temperatura, se toma como referencia el volúmen en condiciones normales. Las condiciones normales son como siguen:

De todas formas, esta informaci6n por si sola no es suficiente, ya que los volúmenes respectivos en el gas de combustión varían según la proporci6n de oxigeno (dilución del gas de combustión con el aire ambiente). Por lo tanto, los valores respectivos medidos deben convertirse a un volúmen particular de oxigeno, el contenido de oxigeno de referencia (02 de referencia). Sólo los datos con el mismo contenido en oxígeno de referencia pueden ser comparados. La medida del contenido de oxigeno (O₂ ) en el gas de combustión también es necesaria para convertir los ppm en mg/Nm ³. A continuación se indican las conversiones para monóxido de carbono (CO), 6xidos de nitr6geno (NO_x) y dióxido de azufre (S0₂).

Conversiones a mg/Nm³ Bezug = referencia

CO (mg/m3)	=
NOx (mg/m3)	=
SO2 (mg/m3)	=

Los factores en ]a f6rmula corresponden a una densidad estándar de los gases en mg/m³.

mg/kWh (miligramos por kilowatio hora de energía)

Fig. 1: Factores de conversOn para unidades relacionadas a [a energia

1.2 Componentes de los gases de combustión

Los componentes de los gases de combustión se listan más adelante ordenadas según la concentración en el gas.

Los factores de conversión para combustibles sólidos también dependen de la forma en que estos están disponibles (en una pieza, como gravilla, polvo, fragmento, etc.). Por ello los factores deben chequearse cuidadosamente.

Nitrógeno (N₂)

El nitrógeno (N₂) es el principal componente (79 % vol.) del aire que respiramos. Este gas incoloro, inodoro y sin sabor no interviene en la combustión. Entra en la caldera como un lastre, se calienta y sale por la chimenea.

Valores típicos en gases de combustión: Calderas gas/gasoil: 78 % - 80 %

Dióxido de carbono (C0₂)

El dióxido de carbono es un gas incoloro, inodoro con un ligero sabor agrio. Bajo la influencia de la luz solar y el verde de las hojas, clorofila, las plantas convierten el dióxido de carbono (CO₂) en oxigeno (O₂) . La respiración humana y animal convierten el oxígeno (O₂) otra vez en di6xido de carbono (CO₂) . Esto crea un equilibrio que los productos gaseosos de la combusti6n distorsionan. Esta distorsi6n acelera el efecto invernadero. El valor limite de efecto es de 5.000 ppm. A concentraciones superiores al 15% en volúmen (150.000 ppm) en la respiración, se produce una pérdida inmediata de conciencia.

Valores típicos en gases de combustión.. Calderas de gasoil.. 12.5 % - 14 % / Calderas de gas 10% - 12%.

Oxígeno (O₂)

Parte del oxigeno (0,) disuelto en el aire combina con el hidrógeno (H 2 ) del combustible y forma agua (H₂0). Según la temperatura de los gases de combusti6n (TH), esta agua se convierte en humedad del gas o en condensados. El oxigeno restante nos sirve para medir el rendimiento de la combusti6n y se utiliza para determinar las pérdidas por chimenea y el contenido de di6xido de carbono (CO,).

Valores típicos en gases de combustión:

Calderas de gasoil: 2 % - 5 % 
Calderas de gas: 2 % . 3 %.

Monóxido de carbono (CO)

El monóxido de carbono es un gas venenoso al respirar, incoloro, inodoro y es el producto de una combusti6n incompleta. En una concentraci6n demasiado elevada, no permite que la sangre absorba oxigeno. Si, por ejemplo, el aire de una habitaci6n contiene 700 ppm CO, una persona respirando durante 3 horas morir. El valor límite de efecto es de 50 ppm.

Valores típicos en gases de combustión:

Caldera de gasoil: 80 ppm - 150 ppm
Caldera de gas: 80 ppm - 100 ppm.

Óxidos de nitrógeno (NO_x)

A altas temperaturas (combustión), el nitrógeno (N₂) presente en el combustible y en el aire ambiente combina con el oxigeno del aire (O₂) y forma mon6xido de nitr6geno (NO). Después de algún tiempo, este gas incoloro se oxida en combinaci6n con el oxígeno (O₂) para formar dióxido de nitrógeno (NO₂). El N02 es soluble en agua, t6xico si se respira (produce daños irreversibles en el pulmón), y contribuye a la formación de ozono en combinación con la radiaci6n ultravioleta (Luz solar). El NO y el NO₂ en conjunto se llaman óxidos de nitrógeno (NO_x).

Valores típicos en gases de combustión:

Calderas gas / gasoil: 50 ppm - 100 ppm

Dióxido de azufre (S02)

El dióxido de azufre (S02 ) es un gas t6xico, incoloro con un olor fuerte. Se forma a partir del azufre del combustible. El valor limite del efecto es de 5 ppm. E] Ácido sulfúrico (H₂SO₂) se forma en combinación con el agua (H20) o condensados.. Valores típicos en gases de combustón de calderas de gasoil: 180 ppm - 220 ppm.

Hidrocarburos inquemados (CxHy)

Los hidrocarburos inquemados (C,H ) se forman cuando la combusti6n es incompleta y contribuyen al efecto invernadero. Este grupo incluye metano (CH,), butano (C,Hlo) y benzeno.(C6 H d' Valores típicos en gases de combustión de calderas de gasoil: <50 ppm.

Hollín

El hollín también es carbón puro, resultante de una combustión incompleta. Valores típicos en gases de combustión de calderas de gasoil.. HoWn derivado 0 6 1.

Partículas sólidas

Las partículas sólidas (polvo) es el nombre que se da a pequeñas partículas sólidas distribuidas en el aire. Esto puede ocurrir en cualquier forma y densidad. Se forman a partir de ]as cenizas y de los minerales que componen los combustibles sólidos.

SISTEMAS DE CALEFACCIÓN DE GAS

Sistemas de calefacción de gas

El objetivo del ajuste es mejorar el medio ambiente y optimizar el uso de los combustibles. Cuando se ajustan las calderas de gas funcionando, debe controlarse y ajustarse el volumen del caudal de gas. Se obtiene midiendo fa presión del gas. El fabricante especifico estos datos y deben ajustarse después de fa instalación. Otra opci6n es fa presión de fa boquilla que influye en fa concentración.

¿Como se ajusta un sistema de calefacción a gas?

• Ajuste de los gases de combustión a los valores límite

• Ajustar fa correcta presi6n del flujo de gas midiendo fa presi6n diferencial (testo 300). El valor correcto de presi6n puede encontrarse en los datos t6cnicos del fabricante. Con este ajuste se consigue [a correcta presi6n en la boquilla.

• Con fa boquilla puede adaptarse fa capacidad del instrumento al calor necesario. Pueden producirse presiones de gas incorrectas. La presión incorrecta del gas puede resolverse en el siguiente esquema:

VALORES DE LÍMITE DE EMISIÓN DE NOX Y CO EN DIVERSAS NORMATIVAS