Combustion Industrial de Gas Natural

Combustión Industrial

de

GAS NATURAL Ing. PERCY CASTILLO NEIRA

LIBRO DE GAS NATURAL Ing. Percy Castillo Neira

COMBUSTIÓN INDUSTRIAL DE GAS NATURAL

PRESENTACIÓN El mundo se ha desarrollado en base a la energía química almacenada por la naturaleza en los combustibles fósiles y actualmente depende de su disponibilidad, comercialización y empleo. El Carbón mineral impulso la revolución industrial y suministró la energía que cambió el mundo en el Siglo XIX; en el Siglo XX, el petróleo se convirtió en el oro negro que dominó la civilización y determinó el ritmo de la economía del planeta. El desarrollo de la tecnología y la evolución de los precios del petróleo han permitido la explotación, transporte y distribución del Gas Natural con todas sus ventajas y posibilidades técnicas, económicas y ecológicas, convirtiéndolo en el combustible del Siglo XXI. En este libro se proporciona la base teórica fundamental para conocer, entender y dominar la tecnología de utilización del gas natural como combustible económico, eficiente y ecológico, con el criterio técnico simple, claro y preciso que conviene a los usuarios, prescindiendo de intereses comerciales. Aunque esta nueva concepción de la tecnología se basa en investigación científica, aplicación académica y experiencia de planta, tales factores han sido utilizados para simplificarla y ponerla al alcance y comprensión de todos los ingenieros y técnicos de plantas industriales.

En un mundo totalmente dependiente de los combustibles INDICE fósiles, el Gas Natural es un “maná del cielo” para los países que tienen la suerte de encontrarlo en su territorio y logran Página | 2 aprovecharlo para ipulsar su desarrollo ntegral.

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Capítulo I

Teoría Inorgánica de la Combustión

1.1. Materia y Energía 1.2. Combustión orgánica y combustión inorgánica 1.3. Combustibles industriales y su relación Carbono/Hidrógeno 1.4. Calor de disociación y poder calorífico de los combustibles. 1.5. La partícula de carbón como núcleo básico de la combustión industrial

Capítulo II

La Combustión como Reacción Química

2.1. Mecanismo general de las reacciones de combustión 2.2. Esquema básico de la combustión industrial 2.3. Tipos de combustión 2.4. La combustión heterogénea 2.5. El reactor de combustión

Capítulo III

3.1 3.2 3.3 3.4 3.5

La llama como manifestación visible de la combustión Definición de las características de las partículas de carbón en la llama Gasodinámica de la combustión y control sobre la formación de llama Emisividad de llama y transferencia de calor por radiación Gases de combustión y transferencia de calor por convección

Capítulo IV

4.1 4.2 4.3 4.4 4.5

La Combustión como Proceso Fisicoquímico

El Aire de Combustión

Aire, combustibles y combustión El aire como comburente universal Mecánica de fluidos aplicada a la combustión industrial Combustión en altura y enriquecimiento del aire Precalentamiento del aire de combustión

Capítulo V

Caracterización del Gas Natural como Combustible

5.1 Origen y tratamiento del Gas Natural 5.2 Caracterización de gases combustibles 5.3 Características de combustión y llamas de gas natural 5.4 Combustión del Gas Natural 5.5 Análisis Comparativo del Gas Natural con otros combustibles.

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Capítulo VI

Estaciones de Recepción en Plantas Industriales

6.1 Ubicación, características y Normas de instalación 6.2 Diseño y Montaje 6.3. Operación de Limpieza 6.4 Regulación de Presión 6.5 Sistemas de Medición de Flujos

Capítulo VII

Circuito Interno de Distribución

7.1 Red Interior de Tuberías 7.2 Características de tuberías 7.3 Diámetro de tuberías 7.4 Estaciones de Regulación Secundaria 7.5 Comprobación, ensayos y puesta en servicio de la Instalación.

Capítulo VIII

Gas Natural en Calderos Industriales

8.1 Calderos Industriales: Generalidades 8.2 Uso del Gas natural en Calderos de Vapor 8.3 Equipos para calderos industriales 8.4 Conversión de Calderos Pirotubulares al Uso del Gas Natural 8.5 Conversión de Calderos Acuotubulares al uso del Gas Natural

Capítulo IX

Aplicación del Gas Natural en Procesos de Secado

9.1 Generalidades del Secado 9.2 Generación de gases calientes con gas natural 9.3 Aplicaciones industriales del gas natural en secado directo 9.4 Aplicaciones del gas natural en secado indirecto 9.5 Aplicaciones del gas natural en Procesos de Calentamiento

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Capítulo X

10.1 10.2 10.3 10.4 10.5

Calcinación y Clinkerización El Gas Natural en Hornos De Cal El Gas Natural en el Horno Cementero El Gas Natural en Precalcinadores Quemadores mixtos sin Aire Primario

Capítulo XI

11.1 11.2 11.3 11.4 11.5

Gas Natural en Metalurgia

Hornos de fusión Hornos de recalentamiento Hornos de tratamientos térmicos Gas natural en la metalurgia de metales no férricos Gas Natural para atmósferas controladas

Capítulo XIII

13.1 13.2 13.3 13.4 13.5

Gas Natural en Siderurgia

Reducción directa del mineral Altos hornos Hornos de Arco eléctrico Calentamiento de cucharas Hornos de calentamiento de palanquillas

Capítulo XII

12.1 12.2 12.3 12.4 12.5

Gas Natural en Hornos de Cal y Cemento

Gas Natural en la Industria del Vidrio y Cerámica

Aplicación del Gas Natural en Hornos de Balsa Aplicación del Gas Natural en Hornos de Crisol Usos del Gas Natural en Operaciones Conexas a los Hornos de Vidrio Gas Natural en el secado de la industria cerámica Gas Natural en la Climatización de Ambientes Industriales

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Capítulo 14

14.1 14.2 14.3 14.4 14.5

Máquinas térmicas y Motores Endotérmicos Gas Natural en Automotores: Ciclos Otto y Diesel Gas Natural en Turbinas de Gas : Ciclo Brayton Análisis Termodinámico de la Conversión de Motores Endotérmicos al Gas Natural Cogeneración con Gas Natural

Capítulo 15

15.1 15.2 15.3 15.4 15.5

El Uso del Gas Natural en Motores Endotérmicos

Sistemas Alternativos al suministro por Gasoductos

Análisis de la confiabilidad del suministro de Gas Natural por Gasoductos Gasoducto Virtual por GNC Gasoducto Virtual por GNL Análisis comparativo de Gasoductos Virtuales Sistemas de Gas Natural Alternativo para Emergencias (Back Up)

ANEXOS Anexo 1 : Tabla de Conversión Anexo 2 : Glosario

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Capítulo I

TEORÍA INORGÁNICA DE LA COMBUSTIÓN

1.1

Un descubrimiento extraordinario

Para quienes trabajamos en proyectos de optimización energética de procesos industriales, el primer principio termodinámico que establece que la materia y energía no se crean ni se destruyen, nos proporciona como herramienta fundamental la elaboración de balances de materia y energía. Al comprobar que existía una diferencia de 21.500 Kcal/Kmol entre el poder calorífico del metano calculado estequiométricamente y el determinado en bomba calorimétrica, conscientes de que la materia y energía no se crean ni se destruyen, nos propusimos encontrarlas (Figura 1.1). Al encontrar en el Manual del Ingeniero Químico de Perry que la energía de disociación del metano es de 21.500 Kcal/Kmol y hallar la misma coincidencia en cualquier otro hidrocarburo, descubrimos el hecho extraordinario de que todos los combustibles, mezclas carbono/hidrógeno con contenidos variables de impurezas, se disocian en sus componentes antes de quemarse, lo que significa que la combustión siempre se producirá en forma elemental y básica, a través de las reacciones : C + O2 = CO2

y

2H2 + O2 = 2H2O

Todos los combustibles industriales, sin excepción, siempre se quemarán en la misma forma, no interesando para fines prácticos las múltiples posibilidades de reacciones intermedias, lo cual simplifica totalmente la concepción, análisis, evaluación y control de la combustión. Página | 7

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La Química Orgánica se ocupa del estudio de los componentes que forma el carbono, aprovechando la extraordinaria capacidad de combinación que le permite su tetravalencia; al demostrar que los combustibles se disocian en sus componentes antes de quemarse, la combustión se producirá por oxidación del Hidrógeno y el Carbono, en el campo inorgánico, resultando el nombre más adecuado para esta formidable simplificación tecnológica: ―Teoría Inorgánica de la Combustión‖ pudiendo ser enunciada en la siguiente forma:.

―Todos los combustibles industriales son combinaciones carbono/hidrógeno y se disocian en sus componentes antes de quemarse, produciéndose la combustión siempre en forma básica y elemental: C + O2 = CO2 y 2H2 + O2 = 2H2O”

Figura 1.1

1.2

La partícula de carbón elemental como núcleo básico de la combustión industrial

Siendo los combustibles industriales combinaciones carbono/hidrógeno, con contenidos variables de impurezas, y habiendo establecido que sus componentes siempre se disocian y reaccionan en forma elemental, siempre existirá una proporción de carbón Página | 8

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que reaccione como sólido. La excepción podría ser el propio Hidrógeno, pero no constituye un combustible industrial. Para sustentar esta hipótesis resultan determinantes los altos valores de los puntos de fusión y sublimación del carbono: 3600 y 4200 °C respectivamente, temperaturas que no se alcanzan en procesos industriales, por lo cual siempre se producirá la combustión de las partículas de carbón en forma heterogénea. La reacción sólido-gas, típica de la combustión de la partícula de carbón, se efectúa por difusión de calor del medio hacia el interior de la partícula y difusión molecular del CO producido (desorción) para abandonar la partícula hacia el medio de reacción, donde completa su reacción con el oxígeno disponible, en una reacción homogénea gas-gas. COMBUSTIÓN INORGÁNICA : REACCIÓN HETEROGÉNEA

Figura 1.2 LA PARTÍCULA DE CARBONO, VERDADERO NUCLEO DE LA COMBUSTIÓN

La condición térmica inicial de la partícula depende del combustible original, influenciando su calentamiento hasta este punto, la desvolatilización de la partícula sólida cuando se trata de carbón mineral, el craqueo y gasificación de gotas en el caso de combustibles líquidos, y el craqueo de gases combustibles. El hidrógeno reacciona en forma homogénea (gas-gas) en una combustión instantánea, aportando calor y vapor de agua. El carbón reacciona por difusión térmica y molecular en un proceso de combustión heterogénea.

En la práctica, la combustión del carbón resulta mucho más importante que la del hidrógeno por 2 razones fundamentales: La proporción del carbón respecto al hidrógeno en los combustibles es siempre sensiblemente mayor. El combustible más liviano es el metano (CH4) con una relación Carbono/Hidrógeno igual a 3 lo que significa que tiene un 75% en peso de carbono. La proporción en peso del carbono en todos los combustibles industriales varía entre 75 y 100%.

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La combustión del hidrógeno es prácticamente instantánea en cualquier condición, mientras que el tiempo de reacción de la partícula de carbón puede ser de varios segundos, efectuándose en 2 etapas: combustión heterogénea sólido gas desprendiendo CO y la de éste con el O2 para completar el CO2. La velocidad de propagación de la llama de hidrógeno es 50 veces mayor que la del CO, siendo ambas medidas en milésimas de segundo, mientras que la combustión de una partícula de carbón de tamaño promedio (30 micras), puede tomar varios segundos. Siendo que todos los combustibles se disocian en hidrógeno como gas y partículas de carbón de diferentes características y tamaño, la cinética de la reacción de combustión resultará determinada por estas últimas y solamente influencieada por la velocidad de reacción del hidrógeno del hidrógeno; consecuentemente, el control sobre la llama resulta casi exclusivamente dependiente de la combustión de la partícula de carbono (carbón). El tamaño de la partícula de carbón resulta un factor fundamental en este sentido : En el caso del gas natural, las partículas de carbón serán microscópicas(500 A°), su combustión muy rápida y la llama muy corta, poco luminosa y de baja emisividad; en el caso del Combustóleo, Petróleo residual o Fuel Oil, las partículas de carbón producto del craqueo en fase líquida serán de tamaño considerable (10-100 micras), demorando más su combustión, con llamas muy luminosas y emisivas; el tamaño de partículas de carbón mineral se maneja y controla durante la molienda, en función de su contenido de volátiles (10-100 micras), influenciando así la velocidad de combustión con llamas siempre luminosas y emisivas (Figura 1.3).

Todos los demás combustibles industriales entrarán en uno de los campos de estos 3 combustibles primarios, desarrollándose la combustión de la partícula elemental del carbón siempre en forma heterogénea.

Combustión de Volátiles

Molienda de Carbón

Coque (30 - 40

Figura 1.3

Ventilador

Atomización

Almacenamiento de Combustóleo

Bomba

Regulación de Gas Natural

Hollín (