Combustion caldera

“ Año de la Consolidación del Mar de Grau”
Curso: Termodinámica
Profesor: Ing. Gilmer Concepción

Definimos a la reacción de combustión como una
reacción química de oxidación fuertemente
exotérmica.
COMBUSTIBLE COMBURENTE GASES
CO2
H2O
CO
SO2
CH4
LIBERA
ENERGIA
AIRE

Una chispa o un pequeño arco eléctrico o
una llama de poca intensidad, para
comenzar el proceso.
Que el combustible y el comburente tengan
el contacto más íntimo posible.
Que el recinto donde se lleva a cabo la
combustión (hogar) se mantenga a una
temperatura apropiada durante todo el
proceso.
Que se mantengan dentro del recinto el
tiempo suficiente para que reaccionen todas
las partículas de combustible.

CLASIFICACIÓN DEL
COMBUSTIBLE
SOLIDO
CARBONO MADERA
LIQUIDO
ALQUITRAN PETROLEO
GASEOSO
GAS
PROPANO
GAS
NATURAL

 Combustión completa.
 Combustión incompleta.
 Combustión teórica o estequiométrica.

Las sustancias combustibles del
combustible se queman hasta el máximo
grado posible de oxidación. En
consecuencia, no habrá sustancias
combustibles en los humos. En los
productos de la combustión se puede
encontrar N2, CO2, H2O y SO2.

 El combustible no se oxida completamente, se
forman sustancias que todavía pueden seguir
oxidándose; por ejemplo, CO. Estas sustancias se
denominan inquemados. La presencia de
inquemados indica que la combustión se está
realizando en forma incompleta. Otros
inquemados pueden ser H2, CnHm, H2S y C.

COMBUSTIÓ
N
COMPLETA
COMBUSTIÓN
INCOMPLETA

 Es la combustión que se realiza con la
cantidad teórica de oxígeno estrictamente
necesaria para producir la oxidación total del
combustible sin que se produzcan
inquemados. En consecuencia, no se
encuentra O2 en los humos, ya que dicho O2
se consumió totalmente durante la
combustión. Esta combustión se denomina
teórica porque en la práctica siempre se
producen inquemados, aunque sea en muy
pequeña proporción.

COMBUSTIBLE
LIQUIDOS
COMBUSTIBLE
GASEOSOS
Tipos:
- Crudo
- Fuel
- Oil
La viscosidad de estos
combustibles varía desde
30 – 40 cSt (100ºC) en
los fuels de baja
viscosidad hasta 700 cSt
(100ºC) y más para
combustibles de alta
viscosidad.
Tipos:
- Gas Natural
- Gas Propano GLP
- Gas Butano
Generalmente los
quemadores de gas
trabajan con muy baja
presión

EFICIENCIA TERMICA
Está compuesto de 2 términos:  Eficiencia de la
Combustión:
La parte de la energía
total que está disponible
en la cámara de
combustión tras el
proceso de combustión
 Eficiencia del Horno:
Depende del diseño de la
caldera y su
funcionamiento

EFICIENCIA
TERMICA
METODO
DIRECTO
METODO
INDIRECTO
𝑁 =
medición  Flujo de
vapor
 Flujo de
combustible
𝑁 = 100 –
medición
 PQ gases de
combustión
 PQ CO
 PQ Otros

ECUACION TERMICA
*Si omitimos los factores de menor importancia
𝑅𝑒𝑛𝑑𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 = 100{1 − (10
− 3(0.22+
𝐾.𝑌
1−
𝑌
0.21
). (𝑇ℎ − 𝑇𝑎)) −
∆𝐻𝑐
𝐻𝑐
}
 Y = factor molar del O2 en el gas de
combustión
 K = coeficiente asignado a cada combustible
1.01 (carbón)
1.03 (fuel-oil)
1.07(gas natural)

∆𝐻𝑐
𝐻𝑐
= función de combustible
0.02 (carbón)
0.05 (fuel-oil)
0.09(gas natural)
 Th = Tº en la chimenea
 Ta = Tº ambiente

PERDIDAS PRINCIPALES DE CALOR
1. PERDIDAS ASOCIADAS AL EXCESO
DE AIRE
EXCES
O
CANTIDAD DE AIRE
PARA LA
COMBUSTION
Relación
directa
BUENA
MEZCL
A
BUENA
COMBUSTION
AIRE
REQUER
IDO
TIPO DE
COMBUSTIBLE
TECNOLOGIA
DEL QUEMADOR

2. PERDIDAS ASOCIADAS AL
ESPESOR DE LA CAPA DE HOLLIN
E INCRUSTACIONES
HOLLIN E
INCRUSTACI
ONES
AISLANTE
TERMICO
↓↓ FLUJO D

 EN BASE A LO OBSERVADO EN LOS DOS GRAFICOS QUEDA EN
MANIFIESTO LA IMPORTANCIA DE UNA BUENA LIMPIEZA
PERIODICA DENTRO DE LOS CALDEROS PARA EVITAR QUE SE
FORMEN CAPAS GRUESAS DE INCRUSTACIONES Y POR FUERA
EL HOLLIN.
 CONTAR CON UN EXCELENTE TRAAMIENTO DE AGUA.
 AHORA SI POSEEMOS UNA CALDERA LIBRE DE CORROSION Y
DE HOLLIN SE PRESENTARA UNA ELEVADA Tº DE SALIDA DE
LOS GASES DE COMBUSTION SIENDO RECOMENDABLE PARA
ESTO CONSIDERAR LA INSTALACION DE SISTEMAS
RECUPERADORES DE CALOR (regeneración) EN LA SALIDA DE
LA CALDERA.

Para evaluar la instalación de un recuperador de
calor se debe considerar las Tº mínimas admisibles
de los productos de combustión.
Esto se aplica para no alcanzar el punto de rocío
acido (Tº de la condensación de ácidos contenidos
en los productos de combustión)
COMBUSTIB
LE
PUNTO
ROCIO
ACIDO
TEMP.
MINIMA EN
CHIMENEA
TEMP.
ADMISIBLE
AGUA
ALIMENTACI
ON
GAS
NATURAL
65ºC 121ºC 100ºC
PETROLEO
LIVIANO
82ºC 135ºC 100ºC
PETROLEO
BAJO
AZUFRE
98ºC 148ºC 104ºC
PETROLEO
ALTO
110ºC 160ºC 115ºC

Los quemadores son aparatos o mecanismos cuya
función es preparar la mezcla de combustible +
comburente para realizar la combustión.
En el quemador, el combustible y el comburente (aire)
entran por separados y en el se regulan la cantidades de
cada uno, mezclándose lo mas perfectamente posible e
iniciándose su propio encendido.
Por eso el quemador debe lograr la mezcla íntima del
combustible con el aire (combustible y comburente) y
además proporcionar la energía de activación.

 Los quemadores independientemente del tipo que
sean puede estar preparados para trabajar bien con la
cámara de combustión con entradas de aire (a
depresión) o bien hermética (a sobrepresión).
 Para potencias pequeñas y medianas resulta usual
que el quemador se suministre formando bloque con la
caldera, realizándose, entonces, la elección y acople
en fábrica.

Por la forma en que toman el aire de
combustión se distinguen dos tipos de
quemadores:
- Quemadores atmosféricos.
- Quemadores mecánicos.

Se emplean, únicamente, para combustibles gaseosos.
Una parte del aire necesario para la combustión (Aire
Primario) se induce en el propio quemador por el chorro
de gas salido de un inyector (efecto Venturi); el aire
restante (Aire Secundario) se obtiene por difusión del
aire ambiente alrededor de la llama.
En este tipo de quemadores se tienen combustiones con
altos índices de exceso de aire.

La principal ventaja de este sistema es su simplicidad y bajo
coste.
La energía de activación se logra mediante llama piloto, que
debe estar permanentemente encendida, o con encendidos
automáticos (electrónicos, tren de chispas, etc).
La regulación del gas se obtiene por variación de la presión
en el inyector (abriendo y cerrando progresivamente la válvula
de gas); esto permite que el quemador pueda ser modulante
con relativa facilidad.

La regulación del aire (con gas a presión
constante) se puede conseguir:
 Variando la sección de entrada de aire, por
obturación de los orificios por donde entra,
mediante discos roscados, anillo móvil o
capuchón deslizante.
 Por deslizamiento de la boquilla del inyector
respecto del Venturi.

También se denominan como Quemadores a
Sobrepresión; el aire de combustión es
introducido mediante un ventilador, existen
diversos sistemas para lograr la mezcla del
aire con el combustible.
En los combustibles líquidos se utilizan
diversos sistemas para su pulverización, de
modo que es creen microgotas de
combustible que facilitan su mezcla con el
aire

La combustión puede ajustarse actuando:
 Sobre el gasto de combustible.
 Sobre la cantidad de aire a impulsar .
 Sobre los elementos que producen la mezcla.
Por lo que es posible obtener rendimientos de
combustión muy altos.

Por el número de escalones de potencia
que producen, se distinguen los siguientes
tipos de Quemadores:
DE UNA MARCHA
DE VARIAS MARCHAS
MODULANTES

Calderas de fundición.- Están formadas
por módulos de fundición gris acoplados
entre sí mediante manguitos. En estas
calderas hay tres tipos de elementos, el
delantero o frontal, el posterior y los
situados en la parte central que se
denominan medios.

Calderas de acero.- Están fabricadas con
chapa de acero que, una vez soldadas,
conforman un conjunto monobloc del cuerpo
de la caldera.

Calderas para combustibles sólidos.-
Pueden utilizar indistintamente carbón o
leña; si se utiliza leña, la potencia calorífica
de la caldera se reduce aproximadamente
un 30% respecto a la de carbón:
Potencia de la leña = 0,7 Potencia del
carbón
Sección de una caldera de combustible
sólido

Calderas para combustibles fluidos.-
Emplean combustibles líquidos o gaseosos,
utilizando quemadores mecánicos,
específicos para cada caso. Existen
modelos de calderas diseñados
exclusivamente para utilizar gases, como
las calderas murales que van apoyadas en
la pared o las calderas de pie que se
apoyan en el suelo; ambos tipos de caldera
utilizan quemadores atmosféricos.

 CONTAMINACIÓN ATMOSFERICA POR
COMBUSTION PRODUCIDAD EN LAS CHIMENEAS
DE LOS QUEMADORES.
Los efectos producidos por la contaminación atmosférica
dependen principalmente de :
 concentración de contaminantes
 tipo de los contaminantes presentes
 tiempo de exposición
 fluctuaciones temporales en las concentraciones de
contaminantes
 sensibilidad de los receptores
 sinergismos entre contaminantes

SO2
Se ha comprobado la relación existente
entre la contaminación atmosférica,
producida por partículas en suspensión y
el anhídrido sulfuroso (SO2), y la aparición
de bronquitis crónica caracterizada por la
producción de flemas, la exacerbación de
catarros y dificultades respiratorias tanto
en los hombres como en las mujeres
adultas.

La presencia en el aire de elevadas
concentraciones de monóxido de carbono
(CO) representa una amenaza para la
salud. El CO inhalado se combina con la
hemoglobina de la sangre, dando lugar a
la formación de carbooxihemoglobina, lo
que reduce la capacidad de la sangre para
el transporte de oxígeno desde los
pulmones hasta los tejidos

Los óxidos de nitrógeno, NOx, son
contaminantes igualmente peligrosos para
la salud. La mayor parte de los estudios
relativos a los efectos de los NOx se han
ocupado, sobre todo, del NO2 ya que es
el más tóxico. Los efectos producidos por
el NO2 sobre los animales y los seres
humanos afectan, casi por entero, al tracto
respiratorio.

Las partículas sólidas dispersas en la
atmósfera como el hollín (C) y las cenizas,
cuyo diámetro va de 0.3 a 10 µm en su
fracción respirable, tienen la particularidad
de penetrar en el aparato respiratorio
hasta los alvéolos pulmonares provocando
irritación en las vías respiratorias; su
acumulación en los pulmones agrava el
asma y las enfermedades
cardiovasculares.

Las plantas muestran una especial
sensibilidad a la mayor parte de los
contaminantes del aire, y sufren daños
significativos a concentraciones mucho
más bajas que las necesarias para causar
efectos perjudiciales sobre la salud
humana y animal.

 El aumento de las concentraciones de dióxido de
carbono (CO2) y de otros contaminantes en la
atmósfera puede dar lugar a una elevación general
de la temperatura del globo terráqueo, el llamado
“efecto invernadero”, que modificaría el régimen
de lluvias, lo que produciría alteraciones sobre las
tierras cultivables y la extensión de los desiertos.
Por otra parte, los sulfatos y las partículas finas
que disminuyen la visibilidad, como el hollín (C) y
las cenizas, puede igualmente reducir la
intensidad de la radiación solar.

 La acidificación de las aguas interiores tiene
efectos muy graves sobre los ecosistemas
acuáticos. Se ha demostrado que todos los
tipos de organismos integrantes de los
ecosistemas de agua dulce son sensibles a la
acidificación, produciéndose cambios en
todos los niveles tróficos. La acidificación de
los lagos y de las masas de agua se está
extendiendo progresivamente cada vez a
mayor número de países, afectando día a día
a más extensas áreas. Las

 Deben tomarse las medidas necesarias
para aumentar la eficiencia energética de
las Calderas y disminuir con ello las
emisiones de sustancias contaminantes al
medio ambiente
 Deben aumentarse las alturas de las
chimeneas para disminuir que los gases
de combustion afecten menos a las
poblaciones cercanas.

El principio de funcionamiento
se basa en la acción de las
fuerzas centrífuga y
gravitatoria sobre las
partículas contenidas en la
descarga gaseosa, de tal
manera que mientras estas
son retenidas en el
dispositivo, el gas continúa su
trayectoria hacia fuera del
equipo, libre de partículas o
con una menor concentración
de éstas.

El separador multiciclónico se ha diseñado
para conseguir elevadas eficacias de
separación para caudales de gases
elevados. Esta elevada eficacia se
consigue a través de ciclones de muy
pequeño diámetro que unidos forman una
unidad compacta. En operación el gas con
el polvo entra a las celdas colectoras
axialmente a través de rodetes estáticos.

Como un sistema de mayor
eficiencia que el ciclón, donde la
parte cilíndrica se encuentra una
especie de venturi con vértices de
vena y tubo inferior es doble y
ranurado.

Los filtros de mangas o también conocido
como casa de bolsas es uno de los
equipos más eficientes y representativos
de la separación sólido-gas, para la
eliminación de partículas sólidas de una
corriente gaseosa haciéndola pasar a
través de un tejido. Estos filtros son
capaces de recoger altas cargas de
partículas resultantes de procesos
industriales de muy diversos sectores,
tales como industria; minera, energética,
siderúrgica, entre otras.

Los precipitadores electrostáticos
imparten a la partícula o material
particulado una carga electrostática
y al colocarle un campo es
impulsada a la pared colectora. Esta
combinación de placas y electrodos
tienen como objeto que los
electrones libres carguen partículas
y que el campo la impulse hacia las
placas donde pierden su carga y
queda adheridas.

Para remover partículas de los gases de salida de los procesos de
combustión, tales como calderas, con una eficiencia hasta del 99.9 %.

Las emisiones típicas de una caldera son :
• Nox ,SO2,CO y partículas (cenizas y hollín )
• H2O vapor inerte
• O2y N2 remanentes del exceso de aire
• Y CO2

Son de ingerencia en el presente estudio las normas de rango constitucional, Leyes orgánicas y dispositivos con
rango de ley que establecen las políticas generales de cuidado y protección del medio ambiente en el país, tales
como:
 Ley General del Medio Ambiente, Ley Nº 28611
 Reglamento de Estándares Nacionales de Calidad Ambiental del Aire, D.S. 074- 2001-PCM
 Estándares de Calidad Ambiental para Aire, D.S. N° 003-2008-MINAM del 22- 08-2008
 Límites Máximos Permisibles y Valores Referenciales para Actividades Industriales de Cemento, Cerveza,
Curtiembre y Papel, Decreto Supremo Nº 003-2002-PRODUCE
 Norma técnica peruana 350.302:2009 EFICIENCIA ENERGÉTICA. CALDERAS INDUSTRIALES. Proyecto de
instalación de calderas con reducción de emisiones. Requerimientos básicos
 NTP 350.301:2009 CALDERAS INDUSTRIALES. Estándares de eficiencia térmica (combustible/vapor) y
etiquetado
 UNE-9-013-92 CALDERAS. Sala de Calderas

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