Manual Practico de Combustion Industrial

MANUAL PRÁCTICO DE COMBUSTIÓN INDUSTRIAL Ing. Percy Castillo Neira

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MANUAL PRÁCTICO DE COMBUSTIÓN INDUSTRIAL Ing. Percy Castillo Neira

MANUAL PRÁCTICO DE COMBUSTIÓN INDUSTRIAL

PRESENTACION Existe un antagonismo radical entre lo técnico y lo científico; mientras lo científico adquiere más valor en función de su mayor profundidad y complejidad, lo técnico resulta más valioso en la medida que se simplifica para facilitar su aplicación. La mezcla de lo científico y lo técnico en el campo de la combustión industrial ha complicado su manejo y establecido graves limitaciones a su conocimiento y control, debido a que el campo académico, la interfase que tendría que constituir la transición entre ambos, no ha funcionado correctamente. Como consecuencia, en términos científicos y académicos, la combustión puede resultar algo extremadamente amplio, complejo y difícil de comprender, conocer y controlar, limitando y complicando su adecuada aplicación en la práctica industrial. La publicación del Manual Práctico de la Combustión Industrial en 1990 planteó una concepción diferente de la tecnología y constituyó el punto de partida de una intens a actividad profesional y empresarial del autor y sus colaboradores. Los veinte años transcurridos en este campo, adquiriendo conocimientos, investigando nuevas tecnologías y viviendo valiosas experiencias al dictar numerosos cursos y charlas técnicas, publicar varios libros, editar 3 revistas especializadas y ejecutar cientos de proyectos de optimización de la combustión en plantas industriales de la mayoría de países latinoamericanos, nos han dado la razón y demostrado que tal concepción, priorizando la simplificación técnica sobre la complicación científica, no solamente resulta la más conveniente desde el punto de vista de su formulación teórica, sino la correcta y adecuada en el pragmatismo del campo industrial, donde cuentan los resultados antes que las explicaciones. En esta segunda edición del “Manual Práctico de la Combustión Industrial”, con mayores argumentos, recursos y medios, profundizamos tal concepción y ponemos a disposición de los sectores productivos, profesionales y técnicos de habla his pana la oportunidad de conocer, entender y dominar el proceso fisicoquíco más importante del planeta. La primera edición del Manual Práctico de Combustión Industrial fue una buena interpretación de la tecnología del Siglo XX, desarrollada por los fabricantes de maquinaria y equipo de acuerdo a sus propios intereses. La segunda edición constituye nuestra propia tecnología, desarrollada en forma conjunta con miles de ingenieros de plantas industriales latinoamericanas, en base a fundamentos y criterios técnicos comprobados con resultados, por lo que constituye la nueva concepción de la tecnología de la combustión del Siglo XXI Página | 2

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Mi experiencia personal con la Combustión Ing. Percy Castillo Neira

Al egresar del Magister de Ingeniería Química estuve comprometido para trabajar en la industria cervecera, pero al conocer la impresionante llama del quemador principal del horno, tomé la decisión de trabajar en el mundo cementero, donde se manejan todas las operaciones unitarias y más de la mitad de costos de producción son energéticos. Después de 5 valiosos años de invalorable experiencia como ingeniero de turno, mi primera decisión como Jefe de Producción fue negarme a firmar el parte de producción mensual, por considerar que no correspondían los volúmenes de petróleo con los consumidos; el buscar, encontrar y recuperar los volúmenes faltantes consolidó mi campo de especialización, todavía vinculado al campo cementero. La falta de oportunidades de desarrollo profesional en mi país y la falta de información técnica, muy rápidamente me motivó a conseguir la oportunidad de viajar a especializarme en fabricación de cemento en Europa; al ser becado por el Ministerio de Educación y Ciencia de España, con el apoyo de IDAE pude ingresar al campo de la Conservación Energética, disponiendo de la posibilidad de formarme como investigador del CSIC en el campo de la Combustión y el Ahorro de Energía en Procesos Industriales, decidiendo priorizar mis actividades en el campo técnico, complementándolas con investigación científica y desarrollo académico. La ecuación de mi experiencia de planta previa, formación como investigador y especialización técnica en el campo de la combustión, al comenzar a trabajar como experto en auditorías y proyectos de optimización energética, resultó fundamental para apreciar que la tecnología aplicada no correspondía a conceptos técnica y éticamente correctos, sino a los intereses comerciales de fabricantes y proveedores, descubriendo la existencia de un mundo de posibilidades de optimización de procesos, al comprobar a través de los años y cientos de proyectos ejecutados en Iberoamérica, que la Combustión en general y especialmente en el campo industrial, resulta maravillosamente simple, clara y precisa. Al descubrir que todos los combustibles se disocian siempre en sus componentes, Hidrógeno y Carbono, antes de quemarse, produciéndose la combustión siempre en la misma forma básica y heterogénea, formulé la Teoría Inorgánica de la Combustión, poniendo al alcance de todos los ingenieros y técnicos, la posibilidad de convertirse en expertos en combustión, accediendo al inmenso potencial de optimización existente. Personalmente me ha costado 30 años de permanente estudio y trabajo el convertirme en experto en combustión, pero ha valido la pena porque estoy seguro de que todos los ingenieros de plantas industriales pueden conseguirlo en corto tiempo y algún día, cuando mi nueva concepción de la tecnología se incorpore como curso de pregrado, los ingenieros latinoamericanos puedan egresar de la universidad al mundo actual dependiente de los hidrocarburos, siendo expertos en combustión. Página | 3

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INDICE

CAPÍTULO I

1.1. 1.2. 1.3. 1.4. 1.5.

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

CAPÍTULO II

2.1. 2.2. 2.3. 2.4. 2.5.

LA COMBUSTIÓN COMO REACCIÓN QUÍMICA

Mecanismo general de las reacciones de combustión Esquema básico de la combustión industrial Tipos de combustión La combustión heterogénea El reactor de combustión

CAPÍTULO III

3.1 3.2 3.3 3.4 3.5

TEORÍA INORGÁNICA DE LA COMBUSTIÓN

LA COMBUSTIÓN COMO PROCESO FISICOQUÍMICO

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 Página | 4

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CAPÍTULO IV

EL AIRE DE COMBUSTIÓN

4.1 Aire, combustibles y combustión 4.2 El aire como comburente universal 4.3 Mecánica de fluidos aplicada a la combustión industrial 4.4 Combustión en altura y enriquecimiento del aire 4.5 Precalentamiento del aire de combustión CAPÍTULO V

5.1 5.2 5,3 5.4 5.5

Criterios para evaluación y clasificación de combustibles industriales Caracterización del gas natural y gases combustibles Caracterización de petróleos residuales y combustibles líquidos Caracterización de carbones minerales y combustibles sólidos. Criterios para selección y empleo de combustibles industriales.

CAPÍTULO VI

6.1 6.2 6.3 6.4 6.5

COMBUSTIBLES INDUSTRIALES

COMBUSTIÓN INDUSTRIAL DE GAS NATURAL

Control y regulación del suministro de gas natural Quemadores para gas natural Encendido y estabilidad del frente de llama Características de las llamas de gas natural Factores que influencian la eficiencia de empleo del gas natural

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CAPÍTULO VII

7.1 7.2 7.3 7.4 7.5

COMBUSTIÓN DE PETRÓLEOS RESIDUALES

Operaciones de pre-combustión Quemadores para petróleos residuales Encendido y Estabilidad del frente de llama Características de las llamas de petróleos residuales Factores que influencian la eficiencia de empleo de petróleos residuales

CAPÍTULO VIII

10.1 10.2 10.3 10.4 10.5

Operaciones de Precombustión Combustión industrial del GLP Quemadores para GLP Producción de Gas Natural Alternativo Factores que influencian el uso del GLP

CAPÍTULO IX

10.1 10.2 10.3 10.4 10.5

COMBUSTIÓN INDUSTRIAL DE GLP

EVALUACIÓN DE LA COMBUSTIÓN INDUSTRIAL

Mediciones en planta vinculadas a la combustión Criterios prácticos para juzgar la eficiencia de combustión Análisis de gases de combustión Balances Térmicos y Diagramas de Sankey Sistemas de Control y Automatización de la Combustión

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Capítulo X

12.1 12.2 12.3 12.4 12.5

OPTIMIZACIÓN DE LA COMBUSTIÓN EN CALDEROS INDUSTRIALES

Clasificación de Calderos Industriales Optimización de la Combustión en Calderos Pirotubulares Optimización de la Combustión en Calderos Acuotubulares Optimización de la Combustión en Calderos de Aceite Térmico Calderos de Recuperación de Calor

CAPITULO XI

OPTIMIZACIÓN DE LA COMBUSTIÓN EN SECADORES INDUSTRIALES

13.1 Principios del Secado 13.2 Tipos de Secadores 13.3 Generadores de Aire Caliente 13.4 Secado directo 13.5 Secado Indirecto OPTIMIZACIÓN DE LA COMBUSTIÓN EN HORNOS DE CAPITULO XII CALENTAMIENTO Y FUSIÓN

12.1 12.2 2.3 12.4 12.5

Modernización de Hornos en Refinerías de Petróleo Combustión en Hornos de Arco Eléctrico Combustión con Oxígeno en los Hornos de Fundición Combustión en Hornos de Calentamiento de Metales para Laminación Combustión en Hornos de Crisol

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CAPITULO XIII

OPTIMIZACIÓN DE LA COMBUSTIÓN EN HORNOS DE PROCESO

13.1 13.2 13.3 13.4 13.5

Hornos de Cal Hornos de Clínker para Cemento Hornos de Hierro Esponja Hornos de Refinación de Metales Hornos de Tratamiento Térmico

CAPÍTULO XIV

14.1 14.2 14.3 14.4 14.5

Nueva Tecnología del Gas Natural Siderurgia : Concentrados para Reducción Directa Inmediata Calcinación Instantánea en Reactores Tipo Flash Combustión Estática para Calentamiento de Sólidos Llama Cónica Hueca para Combustibles Alternos

CAPÍTULO XV

15.1 15.2 15.3 15.4 15.5

RESULTADOS DE INVESTIGACIÓN APLICADA EN PROCESOS DE COMBUSTIÓN INDUSTRIAL

COMBUSTIÓN DEL SIGLO XXI

Biocombustibles Gas de Esquisto Combustión y Ecología Almacenamiento de Energía La energía del Hidrógeno

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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

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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. 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

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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 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 gasgas.

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.

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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%. 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.

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Combustión de Volátiles

Molienda de Carbón

Coque (30 - 40

Ventilador

Atomización

Almacenamiento de Combustóleo

Bomba

Regulación de Gas Natural

Hollín (