FACULTAD: INGENIERIACARRERA: ING. INDUSTRIAL MATERIA: ING. De PLANTA PLAN 1.999 COMBUSTIBLES FUENTES DE ENERGÍA Las fuentes de energía utilizadas actualmente, podemos enumerarlas por el siguiente orden de importancia a saber: • Combustibles • • • • Saltos de agua Energía nuclear Energía solar Energía eólica Además de estas fuentes, existen otras de menor importancia, como las de las mareas, las químicas (reacciones distintas a las de combustión que son exotérmicas), etc. Esto significa que los combustibles son por el momento la principal fuente de energía de que disponemos para realizar las transformaciones necesarias en diversos materiales. La energía obtenida por los saltos de agua es excesivamente costosa (respecto a la de los combustibles) debido a las grandes inversiones que deben realizarse en obra civil y de transmisión de la energía, y además presenta el problema de que los grandes espejos de agua modifican severamente el medio ambiente del lugar donde son realizados, originando un impacto ambiental significativo. La energía nuclear está creciendo fuertemente en la actualidad y se vislumbra como el principal competidor de los combustibles en la generación de energía útil para el hombre. Presenta los siguientes inconvenientes: los residuos radioactivos, el elevado costo relativo por las grandes inversiones en obra civil y en seguridad, entre otros. Los combustibles son la principal fuente de energía en la actualidad y son utilizados a gran escala en las plantas generadoras de electricidad (centrales térmicas) y en pequeña escala, en grupos generadores, en motores de combustión interna y equipos industriales. CLASIFICACIÓN Podemos clasificar a los combustibles conforme a su estado de agregación particular o conforme a la cantidad de gases que liberan durante el proceso de combustión. Según esta última propiedad los clasificamos en: Pobres: son aquellos que producen más de 20 Kg. de gas por cada 10.000 Kcal de energía liberadas (leña, bagazo, cascarillas, residuos industriales, etc.). Nobles: son aquellos que producen menos de 20 Kg. de gas por cada 10.000 Kcal liberadas (petróleo, carbón, gas natural, gasoil, etc.). 1 Según el estado de agregación en que se presentan o disponen, los clasificamos en combustibles Gaseosos, Líquidos y Sólidos. Las características distintivas de cada uno de ellos, especialmente en lo que hace a su manipulación y equipamiento empleado, nos lleva a estudiarlos por separado. No obstante cualquiera sea su forma de presentarse, podemos englobarlos a todos y definir lo que interpretamos como combustible a "toda sustancia que es capaz de quemarse en presencia de oxígeno para liberar una cantidad definida de energía térmica". El detalle de las reacciones que ocurren al combinarse el combustible con el oxígeno lo estudiaremos en el tema de "Combustión". Por ahora solo veremos los tres tipos de combustibles ya definidos según tres aspectos distintos: a) su clasificación, b) sus características y c) su manipulación. Pero antes de entrar en ello diremos que sin lugar a dudas la fuente principal y casi exclusiva de oxígeno para la combustión es el aire, de forma que de aquí en más nos referiremos siempre al aire más que al oxígeno. Sabemos que el aire es una mezcla de diversos gases cuya composición varía según la altura y el lugar considerado, por ello tomamos como valor promedio una composición de aire igual a: 20,99 % Oxígeno 78,03 % Nitrógeno y menos del 1,00 % Argón y otros gases inertes( Neón, Helio, CO2,.......) vemos que el contenido de gases inertes es muy pequeño, y a efectos industriales es despreciable, pudiendo emplearse una composición en volumen media corregida para el aire seco tal como: 21 % Oxígeno 79 % Nitrógeno COMBUSTIBLES SÓLIDOS. CLASIFICACIÓN Los combustibles sólidos son de naturaleza fósil vegetal y pueden ser naturales o artificiales, según sean utilizados como se encuentran en la naturaleza o preparados por el hombre según un proceso industrial. Los naturales son la leña y los carbones fósiles, los que a su vez reciben distintos nombres según su composición o porcentaje de carbón, estos son la turba , el lignito, la hulla, la antracita, el grafito y las asfaltitas. Los artificiales son el coque, las briquetas, y el carbón de leña. En la Tabla 1 se presentan las principales características de los distintos combustibles sólidos. Todos estos combustibles sólidos están formados por carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, azufre, humedad y materias minerales inertes. La materia mineral no sufre prácticamente modificación en el proceso de combustión y queda como cenizas, no aportando por ende energía al proceso y consumiendo parte de la energía producida ya que se elimina a una temperatura superior a la entrada. La humedad contenida no solo no aporta energía sino que la consume para pasar al estado de vapor, y en lo posible debe ser eliminada o disminuida. 2 El azufre, si bien es una sustancia que aporta energía al quemarse con el aire, pasando a formar parte de los volátiles, es en general un elemento indeseado, ya que los óxidos de azufre y el vapor de agua, contenidos en los gases de combustión, pueden formar ácidos altamente corrosivos que son indeseables para el equipo empleado en la combustión. Tabla 1: Composición media de combustibles sólidos. TIPO DE COMBUSTIBLE Leña Turba Lignito Hulla Semi Antracita Antracita Grafito Asfaltitas Coque Briquetas Carbón de Leña Residuos Vegetales % VOLÁTILES 70 a 75 60 a 70 50 a 60 12 a 50 7 a 12 3a 7 30 a 65 1 a 10 13 a 17 15.5 69 a 82 % CARBONO FIJO 25 a 30 30 a 40 40 a 50 50 a 88 88 a 93 93 a 97 100 30 a 52 90 a 99 70 8 a 14 Pcs promedio Kcal/Kg 4.000 6.000 7.500 8.000 8.500 9.200 8.100 8600 a 9700 8000 a 8100 6.300 3800 a 6000 El nitrógeno está presente en el combustible formando compuestos orgánicos complejos y en el proceso de la combustión enriquece la materia volátil, no aportando a la generación de energía térmica. Para el caso de las hullas que son destiladas para producir gas, el nitrógeno se desprende como amoníaco y es un subproducto de valor comercial. Todos estos elementos son en general considerados como impurezas en el combustible, y los dos únicos de interés son el hidrógeno y el carbono. El carbono puede hallarse combinado con N, O y S formando compuestos orgánicos que constituyen la mayor parte de las materias volátiles del combustible, el resto del carbono constituye lo que se conoce como carbono fijo del combustible. El carbón puede ser vegetal o mineral. El primero se produce a partir de leña y el segundo depende del yacimiento que tiene características variables según el manto y la explotación. En nuestro país se dispone de carbón mineral en el yacimiento de Río Turbio. En forma general podemos clasificar al carbón de este lugar como una hulla del tipo bituminosa (de alto contenido de volátiles, cenizas y humedad). Existen diversos yacimientos de turba en Tierra del Fuego y en San Luís, de importancia relativamente menor. CARACTERÍSTICAS DE COMBUSTIBLES SÓLIDOS El poder calorífico es la principal característica de un combustible y puede ser expresado como Poder calorífico Superior o Inferior, según se considere o no respectivamente la energía contenida por el vapor de agua que forma parte de la 3 corriente de gases de combustión. Sin lugar a dudas, desde el punto de vista industrial, el que nos interesa es el poder calorífico inferior, ya que es el calor efectivamente aprovechado. Se llama poder calorífico superior al calor de combustión cuando las condiciones iniciales y finales del proceso son iguales, por lo que se supone que los productos de la combustión se hallan a la temperatura ambiente y por lo tanto la humedad del combustible y el hidrógeno constitutivo forman agua la cual condensa liberando una cierta cantidad de energía. En cambio se denomina por poder calorífico inferior al poder calorífico cuando el agua de formación se encuentra finalmente en estado vapor. Si la humedad contenida por Kg de combustible es “a” y el calor de vaporización es “r” Kcal/Kg, entonces: PcS = PcI + r ∗ (a + H2O por combustión de H2) Donde el H2 reacciona según: H2 + ½ O2 ↔ H2O Que empero es 2 Kg de H2 por 16 Kg de O2, o sea 9 Kg de agua por cada Kg de H; si “h” es la cantidad de H2 por Kg de combustible: PcS = PcI + r ∗ (a +9h) El poder calorífico inferior puede ser obtenido por la siguiente ecuación: PCI = PCS – 5,85 (9. H + H2O) H2, H2O son las composiciones en peso de los elementos, expresados en tanto por ciento. El poder calorífico va aumentando proporcionalmente con el porcentaje de carbono fijo, para los carbones naturales (vegetales y minerales) y este porcentaje crece de la leña a la antracita. El poder calorífico también aumenta con el aumento del contenido de los volátiles, por esta razón vemos que el grafito tiene un valor inferior a otros que son más ricos en volátiles. El Poder calorífico superior puede determinarse experimentalmente en bombas calorimétricas, o bien puede ser calculado por ecuaciones expresadas en función de la composición del mismo, como por ejemplo la siguiente: PCS = 80,8 C + 22,2 S + 344 (H2 – O2/8) kcal/kgde carbón Donde: C, S, H2, O2 son las composiciones en peso de los elementos, expresados en tanto por ciento. Por ejemplo: si la composición del combustible fuera de C = 100%, entonces el Pcs = 8.080 Kcal/kg. 4 El método experimental para determinar el Pcs se realiza por medio de un equipo denominado calorímetro, si esto no es posible entonces puede emplearse la ecuación anterior. Considere que esta ecuación puede arrojar valores distintos al experimental ya que supone una composición libre de los elementos C, H y S y no en su estado real de asociación molecular. Para las hullas, que son la principal fuente de combustibles sólidos del mundo, se puede utilizar una ecuación para calcular el Pcs que solo considera los porcentajes de Carbono fijo y materia volátil: PCS = 82 C + k V Donde C y V son las composiciones en peso de los elementos, expresados en tanto por ciento. La constante k depende de la relación o proporción entre volátiles y carbono fijo y puede verse en la Pág. 23 del libro (Combustibles y Combustión) de Arginbau. TABLA DE PODERES CALORIFICOS COMBUSTIBLES SÓLIDOS Carbón Mineral (nacional) (*) Carbón Mineral (importado) Coque Carbón Residual Coque de Carbón Residual Leña Blanda Leña Dura Carbón de Leña Marlo de Maíz Cáscara de Arroz Bagazo Aserrín Otros Residuos Vegetales Papeles Corteza/chips de leña PODER CALORIFICO kcal/kg INFERIOR SUPERIOR 5.900 7.200 6.800 7.600 7.200 1840 2300 6500 2300 2300 1500 1800 1760 1620 4600 6.200 7.500 7.500 7.900 7.800 2940 3500 7500 3000 3000 2000 1995 2310 1796 - La segunda característica principal de un combustible es su análisis, este puede ser de dos tipos: físico o "global" y químico o "elemental". El primero incluye el valor de humedad, volátiles, carbono fijo y cenizas. Mientras que el segundo da el contenido o tasa de cada elemento C, H, O, S y N, y para obtenerlo, se realiza el análisis químico completo del combustible, con el que podremos calcular entonces su Pcs o el Pci. De cualquier forma, ambos análisis dan una idea aproximada del comportamiento de un dado combustible y para conocer exactamente el comportamiento real del mismo, deberá realizarse pruebas a escala piloto de la combustión, en las cuales se determinará ciertas propiedades o tendencias específicas como la formación de costras, o el aglutinamiento, o reblandecimiento del 5 mismo, etc. Estas características son importantes para manipular adecuadamente el combustible y diseñar los equipos de combustión. Otras propiedades importantes de un combustible sólido son: dureza, densidad, volumen específico, contenido de azufre, humedad, contenido de cenizas, grado de coquificación, temperatura de autoinflamación, etc. El contenido de azufre es muy variable según su origen y es de naturaleza indeseable como ya se explicó por la formación del anhídrido sulfuroso. La composición del azufre en el combustible afecta el valor de la temperatura de rocío de los gases de forma que ésta aumenta con el aumento del porcentaje de S. Esto se puede apreciar en la figura 1. Figura 1 La dureza de los combustibles sólidos aumenta generalmente con el porcentaje de carbono fijo, creciendo desde el lignito hasta la antracita. Esta propiedad está asociada a la mayor o menor facilidad para la molienda del combustible, afectando la producción y el consumo energético del equipo. Esta propiedad también es importante en el almacenamiento del material para evitar que sufra procesos de desintegración mecánica y la formación de polvos. La densidad de un combustible sólido es importante desde el punto de vista del tamaño de los equipos que se utilizarán para quemarlo, en el transporte y almacenaje. Generalmente la densidad crece desde la turba a la antracita. La humedad es muy variable según la procedencia, forma de obtención y almacenaje. Debe distinguirse entre la humedad propia del combustible y la humedad adquirida por capilaridad o humedad superficial, esta última se elimina fácilmente dejando secar el combustible en pilas al aire libre, mientras que para eliminar la humedad propia es necesario calentar el combustible por arriba de los 105 ºC y es difícil de quitar pues se adhiere fuertemente al material. La humedad causa algunos inconvenientes como ser: a) representa un peso muerto en el transporte, b) consume energía útil en la combustión industrial como ya 6 se explicó, c) la molienda a granulometría fina se hace difícil de manipular ya que se opera con un material sumamente pastoso, disminuyendo la producción de los molinos, d) aumenta el precio relativo de los combustibles. El contenido de cenizas de un combustible sólido es importante en los siguientes aspectos, el porcentaje en peso y las temperaturas de deformación, fusión y licuación. A medida que aumenta el porcentaje de cenizas o materiales minerales: aumenta el peso muerto en el transporte, disminuye el poder calorífico, aumentan los problemas de limpieza y mantenimiento de los hogares donde es quemado el combustible. A estos inconvenientes se añade la formación de escorias fundidas, las cuales atacan a los materiales refractarios y/o obturan las parrillas. Por ello, es deseable cenizas con temperaturas de fusión o deformación lo mas elevadas posibles, se considera que temperaturas de fusión superiores a 1500ºC; las cenizas son favorables y que valores de temperaturas inferiores a 1200ºC; las cenizas son desfavorables. Los carbones con más de 30% de cenizas tienen escaso valor comercial. Se consideran buenos carbones los que dan de 4 a 6 % de cenizas. Se consideran regulares los que dan de 6 a 12% de cenizas. Se consideran malos los que dan de 12 a 30% de cenizas. La coquificación es el proceso de destilación del combustible que elimina los volátiles del mismo quedando solo el carbono fijo. Se realiza en hornos o pilas de coquificación donde se somete al combustible a temperaturas elevadas en ausencia de aire. Evidentemente las propiedades del coque dependerán de la clase de carbón utilizado, por ello hay ciertos tipos que no son aptos para este proceso, ya que dan un residuo fino como que no es apto para uso industrial, que es la principal aplicación del coque. En general la capacidad de coquificación de un combustible es muy variable y depende de sus propiedades aglutinantes y del contenido de volátiles, como término medio se emplean carbones que contienen entre 20 y 30 % de volátiles y con contenido de S relativamente bajo. Cuando el objetivo de la coquificación es fabricar gas de alumbrado, y el coque es un subproducto, el porcentaje de volátiles puede incrementarse hasta un 40% y finalmente diremos que cuando el objetivo es producir coque de aplicación doméstica (destilación a baja temperatura entre 550 y 600ºC) pueden utilizarse hullas pobres y lignitos. La última propiedad mencionada y de importancia es la temperatura de autoinflamación o de combustión espontánea, que es la temperatura a la cual el combustible inicia la combustión en presencia de aire. El valor de esta temperatura depende del tamaño o granulometría del combustible, la porosidad de la masa, la superficie de contacto, la concentración de oxígeno, etc. Así en presencia de oxígeno los valores de la temperatura de autoinflamación son más bajas que en aire. Los valores de esta temperatura en presencia de aire, para diversos combustibles sólidos granulados, se muestran en la siguiente tabla: 7 Combustible Leña Carbón de Leña Hullas Semi-coque Antracitas Coque Temperatura de autoinflamación [en °C] 300 360 410 a 470 460 525 580 a 610 Estos valores de temperatura disminuyen sensiblemente si el combustible está pulverizado. Si la autoignición ocurre dentro de una pila de combustible almacenado, no es posible apagarla por sofocamiento o con el uso de agua, y en ese caso debe removerse la pila para llegar al punto donde se inició el proceso. Esta operación es difícil, costosa y peligrosa, por lo que, hay que evitar el almacenamiento de carbón en pilas durante periodos de tiempos prolongados. MANIPULACIÓN DE COMBUSTIBLES SÓLIDOS El manejo del combustible sólido depende del tipo empleado, así en general para los explicitados previamente podemos decir que: Residuos Vegetales o Subproductos Celulósicos: el único de importancia industrial es el bagazo, utilizado como combustible de las calderas en los ingenios. En ellos el bagazo es almacenado en pilas donde se seca por acción del aire a la intemperie y luego es transportado a las bocas de alimentación de caldera donde es quemado directamente. Puede utilizarse también cascarillas vegetales (de maní, arroz, etc.), aserrín. Las asfaltitas: son sustancias bituminosas naturales, sólidas, de color negro brillante, de aspecto resinoso y fractura conoidal en las formas frescas, dotadas de un punto de fusión elevado, superior a 110º C. Químicamente están constituidas por hidrocarburos muy pobres en oxígeno y parafinas cristalizables, siendo compuestos de alto peso molecular. Yacimientos de asfaltita pura u ortoasfaltita en la Argentina: han sido hallados depósitos ubicados en el noroeste de la provincia de Neuquén. Briquetas: las briquetas de carbón vegetal son un producto hecho con carbonilla aglomerada (carbón finamente molido), que es lo que queda de la quema del carbón y de la comercialización del carbón. Presentan un mejor rendimiento que éste. También hay briquetas fabricadas con materia residual, como cascarilla de arroz, bagazo de caña de azúcar, residuos de pulpa de papel, papel o cartón. Se les exige que sean productos de una dureza adecuada, homogéneas, no sean higroscópicas y ardan con poca liberación de humo. Deben poder romperse con facilidad cuando son fabricadas en forma de panes (10 Kg), pero no sufrir roturas durante su transporte y almacenamiento. En forma general el proceso de briqueteado consiste de tres etapas básicas, que son: 8 I) el secado cuando el combustible es muy húmedo y puede ser natural al aire o artificial en hornos de secado calefaccionados por la combustión de una fracción del combustible que se aglomera para ese efecto. II) la formación de la pasta que consiste en triturar el combustible y mezclarlo con un aglutinante adecuado que puede ser brea obtenida del alquitrán de hulla, brea de petróleo, asfalto, almidón, melazas o bentonitas. III) la mezcla es amasada y calentada para formar una masa que pasa a la etapa de prensado, donde es sometida a elevadas presiones (200 a 2000 Kg/cm2) en moldes adecuados que producen briquetas chicas (1/2 a 1 Kg) de forma ovoide, esféricas o cilíndricas; y en forma de panes o ladrillos ( 2 a 10 Kg). Carbones: Las etapas a considerar en la manipulación de combustibles sólidos carboníferos en general son: a) Recibo y Descarga del Combustible b) Almacenamiento c) Suministro de Combustible a la Planta d) Medición e) Preparación del Combustible f) Control de Polvo g) Operación de la Planta a) Recibo y Descarga del Combustible: Cuando el consumo es cercano a la mina o yacimiento del carbón, el transporte más adecuado es el de camiones de volteo. Para grandes cantidades y distancias suele emplearse el ferrocarril por ser más económico y grandes barcos a granel cuando este medio de transporte es necesario. En el caso del ferrocarril, la descarga a las pilas se realiza por medio de carros sacudidores o por medio de volteadores de vagones, normalmente estos son de tipo abierto y con capacidades de 20 a 70 Tn. Cuando no se dispone de carros volcadores o sacudidor de carros en transporte por tren, al igual que en transporte por buques, la descarga deberá realizarse a través de grúas móviles y cucharón de quijadas. Para el caso de bajas temperaturas, el carbón a granel transportado puede llegar a congelarse, en esta alternativa debe calefaccionarse el mismo antes de la descarga, de forma de aflojar el carbón congelado. Existen diversos dispositivos, el más caro es alojar los vagones en compartimientos calefaccionados con serpentines de vapor, otro dispositivo consiste en atomizar agua caliente en los bordes y fondo del vagón, recirculando la misma previo recalentamiento. Otro dispositivo frecuentemente usado es el uso de antorchas descongeladoras ubicadas en trincheras ubicadas debajo de las vías, estas son alimentadas con combustibles líquidos. b) Almacenamiento: El carbón almacenado está sujeto a calentamiento, incrementándose su temperatura y pudiendo alcanzarse la condición ya descripta de autoinflamación, esto ocurre mas fácilmente cuanto mayor es el contenido de S en el mismo. En tales casos debe ponerse especial cuidado en este aspecto, y la forma de evitar ese problema es la de no construir pilas excesivamente altas y con un canal adecuado de ventilación en su centro, de forma de reponer continuamente el aire en contacto con el carbón. Este método es poco utilizado porque aumentan las pérdidas de volátiles en el combustible (Pcs), se requiere de mayores superficies de almacenamiento y la construcción de las pilas debe ser realizada adecuadamente con canales de ventilación. 9 El otro método para eliminar la autoinflamación es exactamente opuesto y consiste en cerrar el acceso de aire al interior de la pila, en este caso la pila debe estar perfectamente asentada, se construyen pilas de 10 a 12 metros de altura, compactadas con equipos especiales (buldózer) provistos de llantas de plástico (hule). Las pilas en su parte superior deben tener una ligera inclinación para producir el drenado del agua de lluvias en forma lenta para no provocar drenajes. Cuando el tiempo de almacenaje va a ser largo es conveniente utilizar una capa de carbón fino o aceite, de forma de disminuir el acceso de aire al interior de la pila. También es aconsejable en estos casos proveer a las pilas de termocuplas de forma de registrar los aumentos de temperatura y evitar que lleguen a los 65ºC. c) Suministro a la Planta: En la mayoría de los casos el carbón debe ser transportado o de la zona de recepción o de la zona de almacenaje a la planta donde es consumido. Esto puede realizarse con una variedad muy grande de equipos disponibles, entre ellos podemos citar a palas cargadoras, grúas con cucharas, cintas transportadoras, alimentadores vibratorios, o de tornillo. Debe preverse un equipo para trituración de las piezas grandes y una remoción de las partículas metálicas, ambas etapas pueden realizarse con trituradoras Bradford, que son las más recomendadas para este material. Esta es una trituradora por impactos de gravedad del mismo carbón, la cual dispone de una serie de zarandas internas que clasifican el material de granulometría menor a la establecida, dejándolo pasar y caer a una canaleta de descarga, mientras que los trozos grandes son recirculados y las partículas o piezas metálicas son llevados al final del triturador y eliminadas. En otros tipos de trituradores debe utilizarse un separador magnético para eliminar los metales, generalmente se emplea una polea magnetizada sobre la que se mueve la banda o cinta transportadora. Una vez transportado el carbón debe ser descargado en las carboneras, que son los depósitos de donde se alimenta el equipo de combustión. Estas se hallan normalmente encima de éste y descargan por gravedad. Para lograr una adecuada descarga debe suministrarse una pendiente de descarga de por lo menos 45º. Finalmente diremos que es necesario realizar una buena distribución del carbón en la carbonera, de forma de lograr una adecuada alimentación al horno y evitar espacios muertos o concavidades que pueden ocasionar problemas de descarga. Para ello se emplean raspadores tipo raqueta o raspadores móviles que se deslizan sobre rieles en la parte superior de la carbonera. Es aconsejable disponer de vibradores neumáticos o electromagnéticos en las cañerías de descarga al quemador y mantener vacías y limpias a estas y a la carbonera en caso de parada de la planta. d) Medición: Es necesario conocer perfectamente el valor o peso de carbón alimentado a una planta, sea para realizar el pago del mismo o con propósitos de cálculo. Existen diversos métodos para cumplir este propósito, el primero es el de pesar los vagones, camiones o barcazas en básculas a tal efecto antes y después de la descarga. 10 Para barcos o grandes cantidades se utilizan las básculas montadas sobre las cintas de descarga, las cuales miden la velocidad de la cinta y el peso neto por unidad lineal de la cinta, calculando de esa forma el peso total descargado. Otro método es el empleo de básculas automáticas, las cuales mueven un contador luego de dejar pasar una masa predefinida, de forma que el peso total descargado es el valor predefinido por el número acumulado. Por supuesto todos estos dispositivos deben ser calibrados y testeados frecuentemente. e) Preparación del Combustible: Esta etapa depende fundamentalmente del tamaño del carbón recibido y del tipo de equipo de combustión, de forma que puede o no ser necesaria un primer paso de trituración, y luego la etapa de pulverización. Así existen alimentadores de baja los que operan con carbón grueso de 1,5 a 2", los alimentadores dispersores trabajan con una granulometría de 3/4 a 1". Los quemadores ciclónicos operan con un máximo de 1/4" y los quemadores requieren un combustible pulverizado que tenga un 70 % pasante por malla 200 y con un máximo retenido de 1 % en malla 50. Los equipos pulverizadores mas frecuentemente empleados son cuatro, cada uno con sus ventajas y desventajas. Son el molino de tubos, de bolas, de tazón y de fricción. El carbón pulverizado debe ser transportado por una corriente de aire seco para la combustión, el ventilador necesario a este efecto puede ser parte de la unidad pulverizadora o parte independiente de la misma. f) Control de Polvo: Es importante evitar la acumulación de grandes cantidades de polvo de carbón cuando se descarga el mismo o se envía a las carboneras. Esto es así porque el carbón fino mezclado con aire en ciertas condiciones es explosivo, además provoca daños en los rodamientos y otras partes móviles de las maquinarias. Por esta razón, el combustible puede ser regado con aceite o Cl2Ca. Puede utilizarse agua para reducir los polvos pero en cantidad controlada para no humedecer excesivamente al carbón. Si la cantidad de polvo producida es excesiva deberán ponerse ventiladores, sistemas de captación y separadores ciclónicos para recuperar carbón. Normalmente las carboneras trabajan cerradas con una abertura única para la cinta, de forma de evitar levantamiento de polvos. El sistema de descarga y los alimentadores de combustible deben mantenerse limpios de polvos, de forma que normalmente operan bajo condiciones de succión. Por supuesto la eliminación de polvos provocará una mayor limpieza general de la instalación, mejorando el trabajo de los operarios, las tareas de inspección, mantenimiento, operación y conservación de la maquinaria. g) Operación de la Planta: La operación de una planta puede dar lugar a situaciones muy diversas imposibles de describir detalladamente, y solo podemos decir en forma general en este caso que deberán cumplimentarse normas generales de operación, mantenimiento y limpieza que faciliten el funcionamiento de los distintos dispositivos que integren una planta. Si podremos particularizar en lo que hace a la conveniencia de realizar operaciones de control encadenadas cuando se trabaja con cualquier tipo de combustibles, de forma que ante la falla de alguna de sus partes, la alimentación de carbón y de los dispositivos dosificadores se detenga. De esta forma se logra prevenir una serie importante de accidentes, con este sistema de control encadenado. 11 También podemos decir que es necesario evitar las sobrecargas en los sistemas de transporte (cintas, tornillos, etc.) que puedan dar lugar a roturas de las bandas, o rodamientos o engranajes, inconvenientes que no solo disminuyen la eficiencia de operación global de la planta sino que pueden provocar serios accidentes de trabajo. COMBUSTIBLES LÍQUIDOS. CLASIFICACIÓN Los combustibles líquidos industriales son productos obtenidos por destilación fraccionada o por destilación destructiva (cracking) del petróleo. Este es un producto mineral de compleja y variada composición, según el yacimiento de extracción. Las proporciones relativas de gas y petróleo son muy variables, y dan lugar a una clasificación de los yacimientos según la misma en yacimientos gasíferos (alta proporción de gas) y yacimientos petrolíferos (alta proporción de petróleo). El petróleo está constituido por una mezcla de hidrocarburos gaseosos y sólidos disueltos en hidrocarburos líquidos, además de estos hidrocarburos existen cantidades variables de compuestos de azufre, oxígeno y nitrógeno. Un rango medio para la composición del petróleo puede establecerse como: Carbono 83 a 87% Hidrógeno 10 a 14% Oxígeno menor a 3% Nitrógeno menor a 1% Azufre menor a 2% ( en casos excepcionales se hallan hasta un 6%.) De estos elementos el azufre es el mas perjudicial, y puede estar como azufre libre disuelto, como SH2 o como diversos compuestos orgánicos como tiofenoles, mercaptanos, ácidos sulfónicos, sulfuros eténicos, etc. Su principal efecto negativo es la corrosión de cañerías y recipientes en general y la formación de vapores de SO2 cuando es quemado. Los petróleos reciben una clasificación conforme a la naturaleza predominante de los hidrocarburos que lo componen, conforme al siguiente detalle: 1. Petróleo de base parafínica: luego de destilar los componentes livianos, el residuo contiene parafina en cantidad significante (Petróleos de Salta y Pensilvania EEUU). 2. Petróleo de base asfáltica: después de destilar los componentes livianos, el residuo contiene una apreciable cantidad de asfalto (Petróleos Mexicanos). 3. Petróleo de base nafténica: luego de la destilación de los componentes livianos, el residuo contiene poca parafina y poco asfalto (Petróleos rusos). 4. Petróleo de base mixta: posteriormente a la destilación de los componentes livianos, el residuo contiene parafinas y asfaltos en forma simultánea y equivalente. Petróleos del Centro de EEUU y del Sur de Argentina). Los petróleos crudos se destilan obteniéndose de ellos una variada gama de productos industriales, clasificados desde el punto de vista industrial como productos destilados y residuales. Los primeros son aquellos que son separados como productos de cabeza en la destilación del crudo y los residuales como su nombre lo indica son los productos que quedan como residuos en el fondo de las columnas. 12 Tanto los residuales como los destilados deben responder a ciertas características básicas perfectamente definidas, dando lugar a las distintas fracciones o cortes de destilación que reciben distintos nombres comerciales y de uso común o industrial. Estos cortes o subproductos o derivados del petróleo se caracterizan por el intervalo de temperatura de ebullición, que van desde un mínimo de -75ºC hasta los 700ºC, así por ejemplo la nafta es una mezcla de hidrocarburos que destilan entre 30ºC y 200ºC, y el kerosén entre 170ºC y 285ºC. De cada tipo de petróleo, por destilación directa, se obtiene una cierta cantidad de nafta, gasoil, kerosén, etc, sin lugar a dudas el producto mas valioso es la nafta, por ello interesa obtener la mayor cantidad posible de esta fracción de un determinado tipo de crudo, le siguen en orden de importancia el kerosén, gasoil y fuel-oil, considerando solamente los combustibles (notar que se excluyen aceites, parafinas, alquitranes cuyo no es específicamente como combustibles) El gasoil y el fuel-oil pueden ser descompuestos en productos más livianos (nafta) por descomposición pirogénica de sus moléculas, es decir por efecto de elevadas presiones y temperaturas superiores a 400ºC, a esta operación se la conoce como craqueo o cracking. La lista completa es muy extensa, pero los productos más importantes desde el punto de vista de las aplicaciones, sería la siguiente: PRODUCTO Gas Natural y de Refinería Nafta Bencina, aguarrás, etc Kerosén Gas oil y Diesel oil Aceites Lubricantes Parafina Parafina amorfa Fuel-oil Asfalto Coque de Petróleo PRINCIPALES USOS Combustible industrial y doméstico Combustible de Motores de explosión. Disolventes en general. Uso doméstico. Combustible de aviones Combustible para motores Diesel y hornos industriales. Lubricación de Maquinarias. Papel parafinado, materiales aislantes. Sellado. Producción de grasas y pomadas. Combustible industrial. Impermeabilizante. Uso en caminos. Combustible Industrial Sólido Pueden entonces realizarse muchísimas combinaciones de craqueo y destilación directa de forma de obtener cualquiera de los productos mencionados en la tabla anterior, conforme a las necesidades particulares del país o la zona, pero siempre el tipo de derivados obtenidos estará predeterminado por el tipo de crudo empleado como alimentación de la planta. Como combustibles en Argentina se utilizan diversos tipos de nafta, para aviación y automotores, el gasoil para transporte automotor principalmente y el fuel-oil y gasoil como combustibles industriales. Dado que el fuel-oil resulta demasiado pesado para algunas aplicaciones, es frecuente mezclarlo en proporciones distintas con diesel oil para dar los combustibles conocidos como 90-10 (90 % de Fuel oil y 10 % de diesel oil) y 70-30 (70 % de Fuel oil y 30 % de diesel oil) muy utilizados en nuestro país. 13 Existen otros combustibles no derivados del petróleo, que en proporción a los derivados de petróleo tienen muy poca importancia o aplicación. A título informativo, se pueden citar a: a) Alcoholes b) Aceites destilados de esquistos bituminosos (asfaltitas) c) Aceites destilados de alquitranes de hulla y lignitos d) Aceites vegetales a) Alcoholes: los usados como combustibles son el metanol y el etanol, y sólo en casos domésticos. A nivel nacional se intentó utilizarlos mezclado con nafta. Tanto el metanol como el etanol pueden ser obtenidos por procesos de síntesis en plantas petroquímicas, mientras que el etanol además puede ser obtenido por procesos de fermentación de productos vegetales como la melaza de azúcar y de cereales. b) Aceites destilados de esquistos bituminosos (asfaltitas): Los esquistos bituminosos son rocas porosas impregnadas de materias orgánicas aceitosas, las que sometidas a un proceso de "destilación" o calentamiento en ausencia de aire (similar al caso del coque), se desprenden gases que son quemados para calefaccionar el mismo proceso, y se produce un aceite líquido, que se comporta de manera similar al petróleo, es decir que por destilación de este puede obtenerse fracciones de nafta, kerosén, gasoil, aceites, etc. c) Aceites destilados de alquitranes de hulla y lignitos: son obtenidos de la fracción condensable de gases formados en la destilación en vacío cerrado o de baja temperatura de hullas o lignitos, ya descrito para combustibles sólidos d) Aceites vegetales: actualmente se estudia la posibilidad de producir bio combustible. PROPIEDADES DE LOS COMBUSTIBLES LÍQUIDOS Los combustibles derivados del petróleo presentan una serie de características importantes para proceder a su almacenamiento y manipulación, para lograr una combustión adecuada, las más importantes son: Poder calorífico Densidad o peso específico Viscosidad Punto de escurrimiento Punto de congelación Punto de inflamación Punto de combustión Punto de auto ignición Contenido de azufre Contenido de cenizas Contenido de humedad Calor específico Poder calorífico: Al igual que para el caso de sólidos la mejor manera de conocer el poder calorífico de un combustible líquido es recurrir a un ensayo en una 14 bomba calorimétrica. Si esto no es posible, se utilizan ecuaciones en función de su composición elemental o en función de su densidad conforme a: COMBUSTIBLES LÍQUIDOS Petróleo Crudo Aeronaftas Naftas Kerosene y Comb. Jets Gas Oil Diesel Oil Fuel Oil Mezcla 70-30 Alcohol de Quemar Metanol Etanol Licor Negro DENSIDAD Kg/lt 0,885 0,709 0,735 0,808 0,845 0,88 0,945 0,91 0,789 0,8 0,794 - PODER CALORIFICO INFERIOR kcal/lt 8850 7374 7607 8322 8619 8800 9261 8995 6080 3818 5082 - kcal/kg 10.000 10.400 10.350 10.300 10.200 10.000 9.800 9.885 4773 6400 3600 PODER CALORIFICO SUPERIOR kcal/lt 9293 8012 8232 8945 9211 9416 9923 9638 6400 4345 5633 - kcal/kg 10.500 11.300 11.200 11.070 10.900 10.700 10.500 10.591 5431 7092 - PCS = 80,8 . C + 22,2 . S + 344 (H2 – O2/8) PCS = 7278 + 3111 / Densidad También se dispone de tablas experimentales para diversos combustibles en función de sus características, por ejemplo la Tabla del Laboratorio de Kansas para derivados de petróleo secos, cuyo Pcs en función de la densidad es la siguiente: Densidad 1,000 0,990 0,980 0,970 0,960 Pcs 10.361 10.393 10.425 10.458 10.491 Densidad 0,950 0,940 0,930 0,920 0,910 Pcs 10.525 10.560 10.597 10.634 10.672 TABLA DE PODERES CALORIFICOS Densidad o peso específico: es la relación de masa a volumen o viceversa de un combustible, se expresa en Kg/L o gr/cm3 o sus equivalentes unidades inglesas. Viscosidad: es la propiedad del combustible que describe la resistencia al desplazamiento relativo de dos capas paralelas vecinas, debida a la cohesión molecular. Es muy importante para la manipulación y operación del combustible, se mide en unidades poise = dina cm/seg2 = gr/cm seg En la práctica, la viscosidad se determina con equipos denominados viscosímetros, el cual determina el tiempo que tarda un líquido en fluir entre dos marcas, o respecto al agua, conforme al aparato utilizado se obtienen distintas escalas llamadas Saybolt, Redwood, Engler, etc. 15 La viscosidad varía inversamente con la temperatura, según puede verse en la figura del libro “Combustión y Generación de Vapor de Torrequitar Weiss” (Pág. 34) para los combustibles mas usados en nuestro país, de forma que debe determinarse siempre la viscosidad y la densidad a la misma temperatura. Esta propiedad es importante en el cálculo de las tuberías de conducción y en el funcionamiento de bombas y quemadores, por ello, en la práctica se puede considerar que para bombear grandes cantidades de líquido (10 m3/hr), la viscosidad debe ser menor de 650 cSt y para menores caudales (500 L/hr) debe ser menor a 150 cSt, esto puede requerir a veces un calentamiento del combustible, en esos casos debe cuidarse de no sobrepasar los valores recomendados para cada tipo de instalación (quemadores) para evitar vaporizaciones. El siguiente gráfico ilustra esta situación: Punto de Escurrimiento: esta propiedad está definida por la temperatura a la cual el petróleo comienza a fluir y está fijado por una cierta proporción del contenido de parafinas del combustible, el cual cuando es sometido a temperaturas bajas, puede formar una red cristalina o aumentar excesivamente la viscosidad del fluido. Esta condición le impide fluir y puede ocasionar problemas en la manipulación y descarga de los tanques de almacenamiento ubicados a la intemperie. Para el transporte y uso en quemadores esta propiedad no influye ya que generalmente los combustibles deben ser calentados o atomizados. 16 Punto de Congelamiento: es el punto en el cual el combustible comienza a cristalizar cuando es enfriado progresivamente y está asociado a los problemas descriptos en el párrafo anterior. Punto de Inflamación: es la temperatura a la cual los vapores de un fluido se inflaman momentáneamente o explotan en presencia de una llama. Punto de combustión: es la temperatura a la cual los vapores del fluido están presentes en cantidad suficiente, para que, al acercar una llama se enciendan y mantengan la combustión en forma permanente. Punto de auto-ignición: es la temperatura mínima a la cual los vapores del fluido se encienden espontáneamente en contacto con aire sin presencia de llama. Todos estos parámetros son característicos de cada combustible y deben ser determinados conforme a ensayos y procedimientos perfectamente establecidos según las distintas normas. Dan una idea de la peligrosidad del combustible y las temperaturas límites de operación del mismo. Contenido de Azufre: El contenido de azufre es perjudicial, encontrándose normalmente en el petróleo en porcentajes variables, según su origen, y por ende se halla también en sus derivados. Presenta mayor poder corrosivo cuando se encuentra en forma nativa que formando compuestos, dada su mayor reactividad. Por ello, en la nafta se exige que su contenido sea inferior al 0,15%, mientras que en los combustibles industriales (fuel-oil) los contenidos máximos son muchos mayores dado su menor efecto nocivo en las instalaciones industriales respecto a los motores de combustión interna. (Ver la figura de contenido de azufre para combustibles sólidos en Pág. Nº 6) Contenido de Cenizas y Humedad: El agua es muy poco soluble en los hidrocarburos (0,005 a 0,06%), pero en presencia de alcoholes esta solubilidad aumenta fuertemente. Favorece la corrosión de los tanques de almacenamiento y se debe limitar su concentración a trazas en los combustibles livianos y hasta un 2% en fuel -oil. Las sales minerales contenidas en el petróleo, luego de la combustión forman las cenizas, entre los componentes mas nocivos están el sodio y el vanadio, los que atacan el níquel y sus aleaciones, elemento del cual son construidos los sobrecalentadores de alta temperatura y las paletas de las turbinas de gas. Además, las cenizas o sedimentos tienden a obturar los filtros, cañerías y quemadores. Calor Específico: Es una propiedad de interés para los cálculos de calentamiento de combustible. Se dispone de tablas donde se dan los valores de esta propiedad para distintos productos en función de su temperatura y densidad, en forma general para el fuel-oil se suele adoptar un valor de 0,4 kcal/kg.ºC mientras que para gasoil de 0,5 kcal/kg.ºC. MANIPULACIÓN DE COMBUSTIBLES LÍQUIDOS La manipulación de combustibles líquidos presenta menor dificultad que la de los sólidos y en general, comprende tres etapas: 17 a) Recepción del combustible. b) Almacenamiento. c) Alimentación a planta o quemadores. Veremos a continuación algunos detalles de interés para cada una de estas etapas. a) Recepción del Combustible: el combustible es recibido generalmente en vagones-tanque o camiones cisterna de baja presión, el valor de presión en estos recipientes debe ser el suficiente para que el líquido pueda salir por la parte inferior e ingresar al tanque de recepción y almacenamiento de la planta. En caso de tener acceso por mar o río es recomendable el empleo de buques-cisterna para el suministro del fluido para el caso de grandes consumos, debido al menor costo de este transporte. Cualquiera sea el medio de llegada del combustible, en cada punto de descarga debe preverse una conexión de vapor con manguera flexible que permita emplear vapor para calefacción del combustible a recepcionar, a través de los serpentines que disponen los tanques de transporte y que son usados para combustibles pesados. El combustible es descargado por un cabezal de descarga del tanque transportador, ubicado en su parte inferior. A este cabezal se conectará una manguera flexible de succión, la que está conectada a bombas movidas por motores eléctricos o por vapor. Estas mangueras serán de longitud suficiente para cubrir el tramo de descarga y tanques de recepción de la planta, y en el caso de combustibles pesados deberán estar provistas también de líneas de vapor para su calefacción y estar cubiertas con aislamiento térmico a prueba de agua. b) Almacenamiento: se realiza en grandes tanques, de construcción fuerte y resistentes a la corrosión, viento y presión estática del fluido. Estos tanques deben ser construidos en medio de un dique exterior, calculado de forma tal que en caso de accidente, el combustible derramado no se propague a tanques adyacentes o galpones fabriles. Un ejemplo de esto puede verse en el siguiente esquema: 18 Comúnmente se dispone de dos o más tanques de almacenamiento, para asegurar un correcto manejo y operación de este sector. Los tanques deben ser construidos sobre bases perfectamente niveladas y compactadas y las líneas deberán poseer flexibilidad para el caso de existir algún tipo de asentamiento. Los diques de protección deben ser provistos de válvulas para drenar las precipitaciones pluviales, pero el combustible fugado no debe ser drenado. Además los tanques son provistos de un sistema de líneas de agua contra incendios, las que en caso de uso atomizan esta sobre la superficie del tanque. Debe también preverse rendijas de ventilación en la parte superior de forma de evitar la sobrepresión en el interior. Al igual que el sistema de recepción, si se opera con fuel-oil, debe instalarse serpentines interiores de calefacción y líneas de vapor para la cañería que comunica a los recipientes externos con los tanques internos o de día, receptores de combustible dentro de la planta. Estos son tanques pequeños ubicados dentro de la planta y que sirven o son calculados exclusivamente para contener el fluido necesario para un turno de trabajo. Las bombas y tuberías deben ser calculadas conforme a la cantidad de combustible a manejar y deben ser probadas hidrostáticamente antes de entrar en servicio por primera vez, al igual que los tanques de almacenamiento y de día, puesto que es difícil evitar las fugas una vez que el sistema se ha llenado de combustible. Las bombas serán provistas de filtros de succión y con válvulas de alivio o recirculación para que las impurezas que pueda llevar el combustible no dañen a bombas y tuberías. Finalmente diremos que los tanques son generalmente pintados en su interior con resina para disminuir la corrosión interior, se instalan una o mas purgas en el fondo para drenar el agua de contaminación o condensación y se colocan sistemas de control de temperatura y nivel de combustible en los mismos. Alimentación a Quemadores: Es muy importante que el suministro de combustible a quemadores no sufra interrupciones, de forma de mantener una combustión estable y constante. La temperatura del combustible del tanque de día o alimentador de las bombas que dan presión al combustible debe ser adecuada para que el mismo fluya libremente, pero sin exceso que provoque acumulación de gases 19 que son peligrosas. Un esquema completo para la manipulación de un combustible pesado puede verse en la siguiente figura de la página que sigue: Es recomendable que, en el caso de combustibles pesados tener el recaudo de realizar un pequeño retorno de combustible al tanque de suministro, para mantener todas las líneas calientes, o bien; calefaccionar las cañerías con vapor. Los filtros en la succión de las bombas deberán mantenerse limpios para evitar pérdidas de carga excesivas y por ende, la formación de vapores. Debe preverse una cámara de aire para la acumulación de estos o de aire si se filtrase algo, esta cámara de aire tiene la función adicional de actuar como compensador de la presión, en caso de que la presión de la bomba aumente esta cámara absorbe el exceso de presión manteniendo constante la presión de la línea y si disminuye esta cámara devuelve la presión manteniendo la presión de la línea aproximadamente constante. La línea de descarga de las bombas a los quemadores está provista de calentadores y filtro de descarga en dos líneas en paralelo, como también de válvulas de control en los quemadores. Para mantener estable la temperatura del combustible se recircula una parte del caudal de fuel oil al tanque de alimentación. COMBUSTIBLES GASEOSOS. CLASIFICACIÓN Los combustibles gaseosos, en general, tuvieron poca aplicación respecto a los líquidos y sólidos debido a los grandes volúmenes necesarios para acumular a presión 20 atmosférica, o al elevado costo de tanques de alta presión necesarios para reducir el volumen de los mismos a valores frecuentemente usados en la industria para los otros tipos de combustibles. Esto cambió totalmente desde que se construyeron los gasoductos que permiten alimentar a grandes plantas industriales con este fluido combustible, disminuyendo al máximo en las mismas las instalaciones de recepción y almacenamiento, ya que lo que hace de depósito es el yacimiento natural del gas. Actualmente existen muchas instalaciones industriales provistas con combustibles gaseosos, ya que superado el problema inicial, el gas es un combustible excelente desde el punto de vista de su bajo costo, su limpieza, su facilidad de manipulación, ausencia total de cenizas y azufre, adaptabilidad a procesos automáticos y posibilidad de alcanzar alta eficiencia térmica. Los combustibles gaseosos disponibles actualmente pueden clasificarse según el siguiente cuadro: Gas Natural Gas de Refinería Gases Industriales Gases Licuados Acetileno e Hidrógeno Gas de Minas de carbón Gas de pantano Gas Natural: está contenido en las cavidades subterráneas o terrenos porosos y encerrados por una capa rocosa superior impermeable. Es una mezcla de hidrocarburos, principalmente metano, etano, propano y butano. Constituye por lejos el principal combustible gaseoso. Gases de Refinería: son los gases separados en el proceso de destilación y craqueo del petróleo, su aplicación industrial es cada vez menor como combustible y generalmente limitado a zonas cercanas a la fuente de producción. Gases industriales: son los producidos como subproductos en distintas actividades industriales. Podemos mencionar entre ellos al gas de alumbrado, el gas de alto horno y el gas de gasógenos. En todos los casos su poder calorífico es muy inferior al gas natural, por lo que su aplicación es limitada al uso por parte de las mismas industrias que lo generan. Gases licuados: son el propano y butano, su aplicación práctica abarca el consumo tanto del tipo domiciliario como el industrial. Cuando se comercializan envasados en garrafas de 10, 15 o 45 Kg se trata de uso domiciliario. En Escala Industrial se comercializa a granel con el nombre de GLP. Las plantas industriales deben disponer de un recipiente de dimensiones adecuadas para abastecer las necesidades de la industria. Estos gases se obtienen por separación del gas natural o de los gases de las plantas de refinación de petróleo. Se comercializan como propano y butano o mezclas de ambos y deben estar libres de compuesto sulfurados corrosivos y de agua o humedad de arrastre. 21 Acetileno e Hidrógeno: el acetileno es utilizado en la mayoría de los casos por chapistas y tiene una aplicación mas frecuente en la industria metalúrgica para soldaduras autógena. El hidrógeno se utiliza en cohetería como combustible de propulsión. Gases de Minas de Carbón: se hallan ocluidos en los yacimientos de carbón y están formados casi exclusivamente por metano y partes muy pequeñas de etano. Solo son aprovechados ocasionalmente en las cercanías de la mina y en general son venteados por ser una fuente de accidentes por explosión en los yacimientos carboníferos. Gas de Pantanos: es el gas metano que proviene de la descomposición de los residuos vegetales, también se observa su formación en turberas. Su aprovechamiento industrial es por el momento impracticable. (la captación de los gases se debería hacer con una campana suficientemente grande, que cubra “la laguna”) Dado que el gas natural es el combustible gaseoso más importante y que puede tener aplicaciones variadas, como el domiciliario, comercial e industrial de pequeña y gran escala, lo estudiaremos por aparte en la próxima unidad del programa. CARACTERÍSTICAS DE COMBUSTIBLES GASEOSOS Los combustibles gaseosos tienen sus características propias que son importantes conocer para un correcto manejo y un adecuado diseño de las instalaciones que lo utilizan como combustible. Las principales características son: • • • • • Poder calorífico Densidad Velocidad de ignición Condiciones explosivas Formas de suministro Poder Calorífico: esta propiedad es determinada en forma análoga a los otros combustibles, en calorímetros adecuados para la combustión de gases y es el método mas preciso para conocer esta propiedad. Si no es posible esta alternativa entonces puede determinarse por medio de tablas existentes para los principales gases o a través del análisis químico del gas, por medio de la ecuación: PCS = 30,17 CO + 30,48 H2 + 94,94 CH4 + 166,34 C2H6 + 236,73 C3H8+ + 306,95 C4H10 + 377,15 C5H12 + 60,13 SH2 PCI = 30,17 CO + 25,77 H2 + 85,52 CH4 + 162,21 C2H6 + 217,89 C3H8 + + 283,40 C4H10 + 348,89 C5H12 + 55,42 SH2 Donde CO, H2, CH4, C2H6, C3H8, C4H10, C5H12 y SH2 son las composiciones en volumen de los elementos, expresados en tanto por ciento. Las unidades de estos poderes caloríficos están dadas en (kcal/m3) debido que su medición es más frecuente realizarlas en volumen. 22 También puede expresarse el poder calorífico de estos gases por unidad de masa, estarían expresados en (kcal/kg). TABLA DE PODERES CALORIFICOS Densidad: es frecuente establecer la densidad de los gases referida a la del aire, COMBUSTIBLES GASEOSOS DENSIDAD PODER CALORIFICO INFERIOR PODER CALORIFICO SUPERIOR Kg/lt kcal/m3 kcal/kg kcal/m3 kcal/kg Gas Residual de Petróleo 8.500 9.000 Gas Natural 8.300 9.300 Propano 0,508 5.588 11.000 6.102 12.013 Butano 0,567 6.180 10.900 6.735 11.878 Gas Licuado 0,537 10950 6.418 11951 Gas de Alto Horno de C. de Leña 950 1.055 Gas de Alto Horno de C. de Coque 800 905 Etano 1,27 14.413 11350 15.746 12399 ya que esto es muy útil para el cálculo de los quemadores que trabajan a inyección, en general los gases naturales livianos son menos densos que el aire, mientras que el propano y el butano son mas densos que el mismo. Para estos gases es también de interés su densidad cuando se hallan licuados, para el cálculo de los volúmenes de los recipientes, en ese estado estos gases licuables tienen una densidad de 0,5 y 0,58 referida al agua. Velocidad de ignición: en los gases combustibles mezclados con aire, la llama se propaga a velocidad variable conforme a la proporción de la mezcla, esto puede verse claramente en la siguiente figura de la Pág. siguiente: Condiciones explosivas: los gases combustibles mezclados con aire, en presencia de una llama o chispa y cuando las proporciones de la mezcla son las adecuadas, pueden provocar una explosión o combustión instantánea. Esto ocurre para todos los gases dentro de ciertos límites, por debajo del límite inferior no ocurre la explosión y por encima del límite superior ocurre la ignición violenta pero sin explosión, es decir sin onda expansiva del orden de varios Km. /seg. En la siguiente tabla se dan estos valores para algunos gases: Tipo de gas Natural Gasógeno Propano Butano Industrial Límite Inferior % 5 18 2,4 1,9 5 Límite Superior % 14 75 9,3 8,5 35 Formas de Suministro: El gas suministrado por redes es el gas natural a 200 mm de agua, en algunos casos particulares se distribuye propano a una presión de 280 mm de agua. En este caso se dice que el gas es de baja presión, cuando el gas es 23 distribuido a una presión de 2 Kg/cm2, entonces se habla de gas de media presión y por encima de ella se habla de gas de alta presión. Este dato es importante en el cálculo de los quemadores a fin de evitar el retroceso de la llama o por el contrario el soplado de la misma y el consecuente apagado del quemador. El gas envasado o gas licuado de petróleo se encuentra en estado gaseoso a presión atmosférica y temperatura ambiente. Para obtener butano líquido a presión atmosférica, la temperatura debe ser inferior a - 0,5°C y para el propano inferior a - 42,2 °C. Para obtener butano líquido a temperatura ambiente, el mismo debe ser sometido a presiones superiores a 2 atm. Para obtener propano líquido, la presión debe ser superior a las 8 atm. La distribución del gas desde los yacimientos a los puntos de consumo importantes se realiza a través de los gasoductos, los que son tuberías de diámetro entre 20 cm y 50 cm, que conducen el gas natural a presión elevada (> 70 Kg/cm2) y dada la enorme distancia que hay entre el pozo de producción y los puntos de distribución, las pérdidas de carga son elevadas y se deben instalar estaciones de recomprensión o bombeo cada 500 Km. MANIPULEO DE COMBUSTIBLES GASEOSOS. Como ya dijimos, dado que el consumo industrial de combustibles gaseosos se halla reducido al uso de gas natural, y el mismo es provisto a la planta a través de gasoductos pertenecientes a empresas privadas o estatales, el suministro y regulación primaria de la presión corresponde a su ámbito. De forma que la manipulación de gas natural solo se refiere a las etapas de reducir su presión a valores medios y luego a valores de consumo. 24 Estos puntos serán ampliamente detallados en el tema siguiente, de forma que aquí solo mencionaremos la facilidad relativa de manipular un combustible gaseoso frente a uno líquido o sólido. Concluimos que la instalación más conveniente sería esta, pero no obstante, no debería eliminarse la instalación necesaria para el uso de combustible sólido o líquido que permitiría a la planta seguir operando en condiciones de interrupción del gas natural. La manipulación del gas natural debe considerar, dentro de la planta exclusivamente, un adecuado drenaje de líquidos condensables que pudiese traer el gas, y un dispositivo de medición y control del gas consumido. Para instalaciones domiciliaras y pequeñas el equipo de medición de consumo suele ser de desplazamiento positivo, mientras que para grandes instalaciones se utilizan los medidores de tipo de orificio. Bibliografía: - Combustibles y Combustión (Arguimbau Francisco) Combustión y Generación de Vapor (Trorreguitar Raul) Manuales Técnicos y de Instrucción para Conservación de Energía. Tomos 1 Combustibles y su Combustión. Tratado General de Gas (Llobera Raul) Plantas de Vapor Donald Swif Tecnología de los Materiales (Andrés F. Molina). Química Industrial (Carlos; Gini Lacorte). 25