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• Victor Alejandro Larios Salazar

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UNIVERSIDAD NACIONAL PEDRO RUIZ GALLO

Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Escuela de Ingeniería Mecánica y Eléctrica

MÁQUINAS TÉRMICAS Combustible Estudiantes:  Garcia Estela, Yerson Joseph.  Larios Salazar, Victor Alejandro.

Ingeniero:  Méndez Cruz, Oscar

CICLO VIII LAMBAYEQUE 2019

ÍNDICE I.

DEFINICIÓN ...................................................................................................................... 4

II.

CARACTERÍSTICAS DE UN COMBUSTIBLE INDUSTRIAL .............................. 5

2.1

Propiedades de un combustible ...................................................................................... 5

2.1.1

Poder Calorífico: ......................................................................................................... 5

2.1.1.1

Clases de poder calorífico ........................................................................................... 6

2.2

Principales requerimientos del combustible: ................................................................ 7

2.3

Nociones breves sobre propiedades del combustible: .................................................. 7

III.

TIPOS DE FORMACION DE MEZCLA: ................................................................... 9

3.1

Motores con formación interna de la mezcla:............................................................... 9

3.2

Motores con formación externa de la mezcla: ............................................................ 10

IV.

PROCESOS DE LA FORMACIÓN DE LA MEZCLA: ........................................... 10

4.1

Pulverización del combustible ...................................................................................... 10

4.2

Vaporización del combustible ...................................................................................... 10

4.3

Mezclado del combustible con el aire .......................................................................... 11

V.

ESTRUCTURA DEL COMBUSTIBLE: ........................................................................ 11

VI.

TIPOS DE COMBUSTIBLE: ...................................................................................... 12

6.1

Combustibles sólidos ..................................................................................................... 12

6.2

Combustibles líquidos ................................................................................................... 12

6.2.1

Características más importantes de los combustibles líquidos ............................. 13

6.2.1.1

Poder Calorífico: ....................................................................................................... 13

6.2.1.2

Densidad específica o relativa: ................................................................................. 13

6.2.1.3

Viscosidad: ................................................................................................................. 14

6.2.1.4

Volatilidad: ................................................................................................................ 14

6.2.1.5

Punto de Inflamación: ............................................................................................... 15

6.2.1.6

Punto de enturbiamiento y congelación: ................................................................. 15

6.2.1.7

Contenido en azufre: ................................................................................................. 15

6.2.1.8

Punto de anilina:........................................................................................................ 16 1

Presión de vapor de Reid: ......................................................................................... 16

6.2.1.9 6.2.1.10

Determinar el número de octanaje ...................................................................... 16

6.2.1.11

Índice de cetano: .................................................................................................... 17

6.3

Combustible gaseoso ..................................................................................................... 17

6.3.1

Clasificación de los combustibles gaseosos: ............................................................ 17

6.3.2

Características de la combustión de gases .............................................................. 18

6.3.2.1

Temperatura de ignición: ......................................................................................... 18

6.3.2.2

Límites de inflamabilidad:........................................................................................ 18

6.3.2.3

Velocidad de deflagración: ....................................................................................... 18

6.3.3

Parámetros interesantes en la combustión de gases:.............................................. 18

6.3.3.1

Poder comburívoro o aire teórico: ........................................................................... 18

6.3.3.2

Poder fumígeno (humos o gases de combustión): ................................................... 18

6.3.3.3

Índice de exceso de aire: ........................................................................................... 19

6.3.3.4

Temperatura teórica de combustión: ...................................................................... 19

VII.

Combustibles fósiles ...................................................................................................... 19

7.1

Concepto......................................................................................................................... 19

7.2

Tipos de combustibles fósiles ........................................................................................ 19

7.2.1

Petróleo....................................................................................................................... 20

7.2.2

Carbón ........................................................................................................................ 20

7.2.3

Gas natural ................................................................................................................ 21

7.2.4

Gas licuado de petróleo ............................................................................................. 21

7.3

Ventajas y desventajas del combustible fósil .............................................................. 21

7.3.1

Ventajas ...................................................................................................................... 21

7.3.2

Desventajas ................................................................................................................ 21

7.4

Usos e importancia de los combustibles fósiles ........................................................... 22

7.5

Impacto ambiental......................................................................................................... 22

7.5.1

Daños ecológicos ........................................................................................................ 23

7.5.2

Derrames .................................................................................................................... 23 2

7.5.3

Cambios en el paisaje ................................................................................................ 23

7.5.4

Contaminación del agua y del aire........................................................................... 23

7.5.5

La lluvia ácida y el calentamiento global ................................................................ 23

7.6

Extracción y refinado de los combustibles fósiles: ..................................................... 24

7.6.1

Petróleo y gas natural: .............................................................................................. 24

7.6.2

Carbón: ...................................................................................................................... 24

7.7

Consumo de combustibles fósiles: ................................................................................ 25

3

EL COMBUSTIBLE I.

DEFINICIÓN

El combustible es toda aquella sustancia que sea capaz de arder. Por lo tanto, se debe de poder combinar con el oxígeno de manera rápida. Además, en el transcurso de la reacción, se va a desprender una gran cantidad de calor. Por otra parte, el combustible industrial es toda aquella sustancia capaz de arder, siempre que en esa reacción no sea necesario realizar un proceso complicado y caro, y que además el combustible no sirva para algo más rentable o noble. Estos combustibles se caracterizan por ser mezclas o combinaciones de pocos elementos, en general. La mayor parte de un combustible industrial lo constituyen los elementos combustibles, es decir, carbono, hidrógeno y azufre. El resto son considerados impurezas. Las impurezas siempre originan problemas tecnológicos, y por lo tanto económicos. Sustancia que reacciona químicamente con otra sustancia para producir calor, o que produce calor por procesos nucleares. El término combustible se limita por lo general a aquellas sustancias que arden fácilmente en aire u oxígeno emitiendo grandes cantidades de calor. Los combustibles se utilizan para calentar, para producir vapor con el fin de obtener calor y energía, para proporcionar energía a los motores de combustión interna, y como fuente directa de energía en aviones y cohetes a propulsión. En los casos en que el combustible debe proporcionar su propio oxígeno, como ocurre en ciertos cohetes y en la propulsión a chorro, se le añade a la mezcla de combustible un agente oxidante como el peróxido de hidrógeno o el ácido nítrico. Las reacciones químicas de la combustión suponen la combinación del oxígeno con el carbono, hidrógeno o azufre presentes en los combustibles. Los productos finales son dióxido de carbono, agua y dióxido de azufre. Las demás sustancias presentes en los combustibles no contribuyen a la combustión, pero salen en forma de vapor o permanecen después de la combustión en forma de ceniza. La eficacia del combustible, o capacidad calorífica, se mide normalmente en términos de energía térmica (calor) desarrollada cuando una cantidad dada del combustible se quema bajo condiciones estándar o patrón. Las capacidades caloríficas de los combustibles sólidos y líquidos se miden en julios por kilogramo o metro cúbico. A veces se hace una 4

distinción entre capacidad calorífica superior, que es el calor total desarrollado durante la combustión, y capacidad calorífica inferior, que es el calor neto desarrollado, descontando el calor perdido en la evaporación del agua durante la combustión. Las capacidades caloríficas superiores aproximadas de los combustibles sólidos comunes son (J/kg): carbón, de 28 a 35 millones; lignito, de 14 a 17 millones; coque, 29 millones, y madera seca, 20 millones. Para los combustibles líquidos comunes son: alcohol, 25 millones; aceite combustible, 44 millones; petróleo, 48 millones, y parafina, 46 millones. Para los combustibles gaseosos son: acetileno, 55 millones; gas de altos hornos, 3,5 millones; monóxido de carbono, 12 millones; gas de horno de coque o gas de hulla, unos 22 millones; hidrógeno, 12 millones; gas natural, de 39 a 82 millones; gas de petróleo, 19 millones, y gas pobre, 5 millones. Combustible gaseoso, cualquier mezcla gaseosa empleada como combustible.

Figura 1. Combustibles

II.

CARACTERÍSTICAS DE UN COMBUSTIBLE INDUSTRIAL

Las características de un combustible, y en particular las de un industrial, son las que nos van a determinar la posibilidad de utilizar esa sustancia en un momento determinado. Como se puede uno imaginar, una de las propiedades que más interesa de un combustible es su poder calorífico. 2.1 Propiedades de un combustible 2.1.1

Poder Calorífico:

Cantidad de calor generado al quemar una unidad de masa del material considerado como combustible. El poder calorífico está relacionado con la naturaleza del producto.

5

La unidad que se emplea para medir la cantidad de calor desarrollada en la combustión se la denomina poder calorífico. Se entiende por poder calorífico de un combustible, la cantidad de calor producida por la combustión completa de un kilogramo de sea sustancia. Tal unidad se la mide en cal/kg de combustible. Si la cantidad de combustible que se quema en un mol, el calor desprendido recibe el nombre de efecto térmico (poco usado). De la diferencia entre el poder calorífico superior (NS) y el poder calorífico inferior (NI) se obtendría uno u otro según el estado de agregación que forma parte de los productos de combustión. Si la temperatura de los productos finales de combustión es tal que el vapor de agua que se ha formado continué en ese estado, tendremos el poder calorífico inferior del combustible (NI). En cambio, si la temperatura de los productos finales es suficientemente baja como para que aquella se condense, tendremos el poder calorífico superior del combustible (NS). La diferencia entre ellos será igual el calor desprendido por la condensación del agua. Existen varias unidades para esta propiedad: 𝐾𝑐𝑎𝑙 𝐾𝑐𝑎𝑙 𝐾𝑐𝑎𝑙 𝐾𝑐𝑎𝑙 ; ; ; 𝐾𝑔 𝑚3 𝑚𝑜𝑙 𝑙 𝐾𝑐𝑎𝑙

-

En los combustibles sólidos se emplea el

-

En los combustibles líquidos se emplea

-

En los combustibles gaseosos se emplea el

𝐾𝑔

𝑜

𝐾𝑐𝑎𝑙 𝑚𝑜𝑙

𝐾𝑐𝑎𝑙 𝐾𝑐𝑎𝑙 𝑚𝑜𝑙

;

𝑙

𝐾𝑐𝑎𝑙 𝑚3

;

.

.

𝐾𝑐𝑎𝑙 𝑚𝑜𝑙

.

2.1.1.1 Clases de poder calorífico Existen dos clases de poder calorífico: el poder calorífico inferior (PCI) y el Poder calorífico superior (PCS). PCS: Es el poder calorífico total. Es la cantidad de calor desprendida en la combustión de un Kg de combustible cuando se incluye el calor de condensación del agua que se desprende en la combustión. PCI: Es el poder calorífico neto. Es el calor desprendido en la combustión de 1 Kg de combustible cuando el vapor de agua originado en la combustión no condensa. La naturaleza y sus reacciones químicas y las distintas clases: 6

Las reacciones químicas de la combustión suponen la combinación del oxígeno con el carbono, hidrógeno o azufre presentes en los combustibles. Los productos finales son dióxido de carbono, agua y dióxido de azufre. Las demás sustancias presentes en los combustibles no contribuyen a la combustión, pero salen en forma de vapor o permanecen después de la combustión en forma de ceniza. Los combustible líquidos y gaseosos que se emplean en los motores Diesel, en los motores biocombustibles y en los motores de gas de encendido por chispa. Los combustibles líquidos que sirven para alimentar los motores de combustión interna se obtienen por proceso llamado refinación a partir del petróleo, por tanto, se comportan de muy diferentes formas cuando se queman en los motores. El tiempo durante el cual transcurren estas reacciones en los motores es bastante limitado y constituye centésimas e incluso milésimas de segundo. 2.2 Principales requerimientos del combustible: 

Garantice un rápido y seguro arranque del motor independientemente de la temperatura del medio exterior.



Permite el proceso de combustión sin formación de sarro y carbonilla sobre la superficie de la cámara de combustión



Disminuir el desgaste y corrosión del espejo del cilindro, de los anillos del embolo y del pistón.



Asegure las condiciones de una completa y oportuna combustión y la disminución de la cantidad de componentes tóxicos

2.3 Nociones breves sobre propiedades del combustible: Volatilidad del combustible: 

Depende de su composición fraccionada de la tensión de los vapores.



A menor temperatura, mayor volatilidad del combustible.



Para que el consumo del combustible sea bajo en los motores pequeños se necesitan combustibles de mayor volatilidad y así reducir temperatura y humo de escape.

7



Se determina en un aparato especial.

Resistencia a la detonación e inflamabilidad del combustible: 

El punto de inflamabilidad.



La resistencia a la detonación en gasolinas.



Para un motor Diesel.



Retardo a la inflamación.

Principales índices de las gasolinas para automóviles:

Figura 2. Principales índices de las gasolinas para automóviles

8

Figura 3. Principales índices de los combustibles para motores diesel

III.

TIPOS DE FORMACION DE MEZCLA:

3.1 Motores con formación interna de la mezcla: El combustible se introduce directamente al cilindro

Figura 4. Motores con formación interna de la mezcla

9

3.2 Motores con formación externa de la mezcla: La mezcla de combustible y aire se realiza fuera de la cámara de combustión. En los motores con formación externa de la mezcla el combustible que se suministra junto con el aire a través de la válvula de admisión, deberá fácilmente evaporarse y formar una mezcla homogénea con el aire aspirado.

Figura 5. Motores con formación externa de la mezcla

IV.

PROCESOS DE LA FORMACIÓN DE LA MEZCLA:

4.1 Pulverización del combustible Es el paso del chorro de combustible por los conductos del carburador, en ausencia de emulsión, el cual cae en el flujo de aire del difusor. Por efecto de la energía cinética del aire en movimiento, el combustible adquiere la forma de un cono con el vértice en la boca del surtidor y comienza a pulverizarse. 4.2 Vaporización del combustible La vaporización del combustible comienza prácticamente desde el instante en que empieza su derrame y en lo fundamental transcurre en el flujo de aire en movimiento. La intensidad de la formación de la película depende de las propiedades del combustible, del régimen de funcionamiento del motor, de su estado térmico y de la estructura del colector de admisión.

10

4.3 Mezclado del combustible con el aire Desde el instante en que empieza a fluir combustible del surtidor al flujo de aire comienza el mezclado del aire con el combustible vaporizado y no volatilizado. Cuanto más pequeñas sean las gotas de combustible suspendidas en el aire, tanto más movedizas serán y más homogénea resultará la composición de la mezcla. V.

ESTRUCTURA DEL COMBUSTIBLE:

Compuesto por Mezcla de hidrocarburos: 

Parafinas:

CH n



Nafténicas:

CH

2n

2 n 6

O

n



2n2

Aromáticas:

CH n

CH n

2 n 12

Contiene: -

84-85% de C, 12-14% de H, y el resto en N, O y S

-

Una molécula: 5 a 30 átomos de C (gasolina 5-12 y keroseno y aceite diesel hasta 30)

Hidrocarburos saturados: lineales, ramificados, anillos. Todos ellos tienen enlaces simples y saturados de átomos de H. Cuando más compacta sea la molécula del hidrocarburo mayor será su resistencia antidetonante (números de átomos). Benceno: da estabilidad al hidrocarburo. En M. gasolina alcanza10-15%, el craqueo catalico eleva el poder autodetonante formando el 64-70% de uniones aromáticas. Motores a gasolina: tener i-alcanos, menor tendencia denotación. Isoctano evalúa la calidad detonante del combustible. En los anillos la gasolina tiene su resistencia elevada. Motores Diesel: tener n-alcanos. ºT de autoinflamación en baja con respecto a los isómeros.

11

VI.

TIPOS DE COMBUSTIBLE:

6.1 Combustibles sólidos Entre los combustibles sólidos se incluyen el carbón, la madera y la turba natural. El carbón se quema en calderas para calentar agua que puede vaporizarse para mover máquinas a vapor o directamente para producir calor utilizable en usos térmicos (calefacción). La turba y la madera se utilizan principalmente para la calefacción doméstica e industrial, aunque la turba se ha utilizado para la generación de energía y las locomotoras o los barcos que utilizaban madera como combustible fueron comunes en el pasado. 6.2 Combustibles líquidos Los combustibles líquidos, desde el punto de vista industrial, son aquellos productos que provienen del petróleo bruto o del alquitrán de hulla. Los clasificamos según su viscosidad o según du fluidez si es que proceden del alquitrán de hulla.

(*)

La composición de éstos serán las sustancias menos volátiles que obtendremos en la rectificación primaria de la hulla El crudo de petróleo contiene un gran número de compuestos hidrocarbonados, pero que a su vez, dentro de las clases que pueden presentarse, estos abarcan un amplio espectro de compuestos hidrocarbonados. A partir del crudo de petróleo podemos obtener un gran número de combustibles líquidos. El petróleo resulta ser la fuente por antonomasia de combustibles líquidos. Los principales combustibles líquidos son: 12



Gasolinas: Abarcan compuestos hidrocarbonados que van desde C4 a C10.



Kerosenos: C10 a C14: cadenas hidrocarbonadas de 10 a 14 átomos de C



Turboreactores: C10 - C18/C14



Gasóleos: C15-C18



Fuel-oil: Van a ser lo que tengan un punto de destilación más altos; es decir, los de mayor número de átomos de carbon



o y los más pesados. 6.2.1

Características más importantes de los combustibles líquidos

Como derivados que son del petróleo crudo, los combustibles líquidos están formados básicamente por compuestos hidrocarbonados. Pueden contener, además, O2, S, N. Las principales características que caracterizan a un combustible líquido serán: poder calorífico, densidad específica, viscosidad, volatilidad, punto de inflamación, punto de enturbamiento y congelación, contenido de azufre, punto de anilina y presión vapor Reid. 6.2.1.1 Poder Calorífico: Es el calor de combustión: energía liberada cuando se somete el combustible a un proceso de oxidación rápido, de manera que el combustible se oxida totalmente y que desprende una gran cantidad de calor que es aprovechable a nivel industrial. Se tratará de evaluar el rendimiento del combustible en una instalación industrial. 6.2.1.2 Densidad específica o relativa: Fue la primera que se utilizó para catalogar los combustibles líquidos. Los combustibles se comercializan en volumen, por ello es importante saber la densidad que tienen a temperatura ambiente. La escala más comúnmente utiliza es la escala en grados API (a 15ºC) API definió sus densímetros perfectamente, estableciendo sus características y dimensiones en las especificaciones.

13

6.2.1.3 Viscosidad: Mide la resistencia interna que presenta un fluido al desplazamiento de sus moléculas. Esta resistencia viene del rozamiento de unas moléculas con otras. Puede ser absoluta o dinámica, o bien relativa o cinemática. La fluidez es la inversa de la viscosidad. Por ello la medida de la viscosidad es importante porque nos va a dar una idea de la fluidez del combustible; permite apreciar la posibilidad del bombeo de un producto en una canalización y de este modo nos permite saber si podemos tener un suministro regular. La viscosidad es muy importante en el caso de los fuel-oils, ya que éstos se clasifican siguiendo criterios de viscosidad a una determinada temperatura. 6.2.1.4 Volatilidad: Curva de destilación: La volatilidad se determina con la curva de destilación. Un combustible líquido es una fracción de la destilación del crudo de petróleo. Tendremos una u otra cosa dependiendo de donde cortemos en la destilación, es decir, de las temperaturas donde recojamos en el intervalo de destilación. No tendremos una temperatura única, sino que a medida que el volumen recogido va aumentando va variando la temperatura. Parámetros de la destilación Dependerán del combustible a destilar. Son: 

Punto inicial de destilación: IBP: Temperatura a la que cae la primera gota de destilado



Punto final de destilación: EBP



Volumen de pérdida (P)



Volumen de residuos ( r )



Volumen de recogido ( R )

14

6.2.1.5 Punto de Inflamación: Se define como la mínima temperatura a la cual los vapores originados en el calentamiento a una cierta velocidad de una muestra de combustible se inflaman cuando se ponen en contacto con una llama piloto de una forma determinada. 6.2.1.6 Punto de enturbiamiento y congelación: Todas las características que se han mencionado se refieren al número de átomos de carbono en las cadenas. El punto de enturbiamiento sólo se aplica a los gasóleos, y es la temperatura mínima a la que sometiendo el combustible a un enfriamiento controlado se forman en el seno del mismo los primeros cristales de parafina (de cadenas carbonadas lineales, alcanos. Son los de mayor punto de congelación y los más pesados. Punto de congelación: La diferencia con el punto de enturbiamiento está en el termómetro utilizado. Se aplica a gasóleos y a fuel-oils. En el punto de enturbiamiento el termómetro toca el fondo del tubo de ensayo; en la prueba del punto de congelación, no se toca el fondo del tubo de ensayo, ya que aquí se mide la temperatura a la cual se ha solidificado toda la muestra. Prueba de enturbiamiento: Vemos cristales de compuestos parafínicos, que son los los que tienen el punto de congelación más alto. 6.2.1.7 Contenido en azufre: El azufre que se encuentra en un combustible líquido deriva del crudo de petróleo del que procede el combustible y a veces puede derivar de algún proceso al que ha sido sometido en el fraccionamiento. Nos interesará que el contenido en azufre sea el menor posible, ya que la legislación marca unos límites. Los problemas que nos pueden provocar el azufre contenido en un combustible líquido son: 1. Corrosiones en los equipos en los que se quema el combustible, en equipos auxiliares (chimeneas), precalentadores de aire,... 2. Contaminación ambiental, que se debe evitar

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3. Influye sobre el poder calorífico del combustible, pudiendo hacer que sea menor. Puede variarlo bastante 4. Si estamos utilizando el combustible en una planta donde se van a utilizar los gases de combustión, puede traer problemas al entrar en contacto directo con lo que se está produciendo en la planta. 6.2.1.8 Punto de anilina: El punto de anilina es la temperatura mínima a la cual una mezcla de anilina y muestra al 50% en volumen son miscibles (la anilina es una fenil-amina) dibujo. Se trata pues de la temperatura de solubilidad de la anilina y la muestra. Este punto caracteriza muy bien a los productos petrolíferos, pues tanto éstos como la anilina son compuestos aromáticos, y como lo semejante disuelve a lo semejante, resulta que si el punto de anilina es bajo, el contenido de aromáticos es mayor, y si es alto, el contenido de parafinas será entonces mayor. 6.2.1.9 Presión de vapor de Reid: Aunque esta no sea una medida exacta de la volatilidad, nos mide la tendencia que presenta el combustible a pasar a fase vapor. Para determinarla se mide la presiónn de vapor formado en el calentamiento de una muestra de un combustible líquido a 37.8ºC (ASTM-D323) Esta puebla se emplea para saber qué ocurrirá en el almacenamiento de los productos en la refinería. Este ensayo no es una medida de la presión de vapor real, porque el aire que contiene la cámara va a estar en contacto con los vapores que se producen en el ensayo. 6.2.1.10 •

Determinar el número de octanaje

RON (Número de Octano de Investigación) se determina efectuando una velocidad de 600 revoluciones por minuto (rpm) y a una temperatura de entrada de aire de 125°F (51.7°C)

•

MON (Número de Octano del Motor) se obtiene mediante una corrida de prueba en una máquina operada a una velocidad de 900 RPM y con una temperatura de entrada de aire de 300°F (149°C).

•

Número de octano comercial = (RON + MON) /2 16

6.2.1.11 •

Índice de cetano:

El índice de cetano en el combustible diésel define la calidad del mismo, indicando el tiempo que tarda desde que es inyectado hasta que entra en ignición.

•

Un índice aceptable de cetano comienza a partir de 49 en adelante, con 55 o más ya es de óptima calidad. Con un índice alto conseguiremos que nuestro vehículo diésel haga un menor ruido, aumente el rendimiento, contamine menos y se alargue la vida del motor.

6.3 Combustible gaseoso Son los combustibles más empleados. Presentan sobre los sólidos y líquidos ventajas de transporte y almacenamiento, así como mayor luminosidad de llama y mayor poder calorífico, debido a su mayor facilidad de mezcla con el comburente. Se denominan combustibles gaseosos a los hidrocarburos naturales y a los fabricados exclusivamente para su empleo como combustibles, y a aquellos que se obtienen como subproducto en ciertos procesos industriales y que se pueden aprovechar como combustibles. La composición de éstos varía según la procedencia de los mismos, pero los componentes se pueden clasisificar en se pueden clasificar en gases combustibles (CO, H2, (HC)) y otros gases (N2, CO2, O2). 6.3.1

Clasificación de los combustibles gaseosos:



Combustibles gaseosos naturales



Combustibles gaseosos manufacturados

Nos interesa conocer el porcentaje de los componentes que integran los gases. Se usan para estos los mismos procedimientos que para el análisis de los gases de combustión. Existe otra clasificación de los combustibles gaseosos que se refiere a su grado de intercambiabilidad. Esto nos permite clasificar los combustibles gaseosos en familias, que son 3: 1ª, 2ª, 3ª.

17

6.3.2

Características de la combustión de gases

6.3.2.1 Temperatura de ignición: La temperatura de ignición es la mínima temperatura a la que puede iniciarse y propagarse la combustión en un punto de una mezcla aire gas. El autoencendido de una mezcla aire gas se produce sobre los 650-700ºC. 6.3.2.2 Límites de inflamabilidad: Se entienden estos como los porcentajes de aire y gas que presentan una mezcla de ambos para que pueda iniciarse y propagarse la combustión de dicha mezcla. Normalmente se expresa en porcentaje de gas combustible en la mezcla. Tanto el exceso se combustible como de comburentes son perjudiciales para la combustión, fuera de los límites de inflamabilidad. 6.3.2.3 Velocidad de deflagración: Es la velocidad de propagación de una llama estable. 6.3.3

Parámetros interesantes en la combustión de gases:

6.3.3.1 Poder comburívoro o aire teórico: Es la cantidad de aire necesaria para asegurar la combustión de 1 m 3 de gas. Suele expresarse en m3 normal de aire/m3 normal de gas 6.3.3.2 Poder fumígeno (humos o gases de combustión): Conjunto de productos en estado gas que se obtienen en el proceso de combustión. Se trata del volumen expresado en C/N de los gases de combustión que se obtienen en la combustión completa de 1 Nm3 de gas asociado a una cantidad de aire igual a la teórica. Se pueden distinguir: 

Humos secos: No se considera el vapor de agua



Humos húmedos: Se considera el vapor de agua

Se expresan en Nm2 humos/Nm3 normal de gas 18

6.3.3.3 Índice de exceso de aire: Una combustión con el aire teórico es imposible, por lo que es necesario en la práctica un exceso de aire, que se regula por un coeficiente de suministro (que es el índice de exceso de aire o algo parecido). Pude darse una combustión incompleta, con inquemados gaseosos siempre (nunca podrán aparecer inquemado sólidos). 6.3.3.4 Temperatura teórica de combustión: Aquella temperatura que alcanzarían los productos de combustión si todo el calor generado en la misma se pudiera emplear en su calentamiento. Esto es imposible por pérdidas de calor en la instalación. Enriqueciendo el contenido en oxígeno es posible aumentar la temperatura actual de combustión hasta un cierto límite. VII.

Combustibles fósiles

7.1 Concepto Un combustible fósil es aquel que procede de la biomasa producida en eras pasadas, que ha sufrido enterramiento y tras él, procesos de transformación, por aumento de presión y temperatura, hasta la formación de sustancias de gran contenido energético, como el carbón, el petróleo, o el gas natural. Al no ser energía renovable, no se considera como energía de la biomasa. La mayor parte de la energía empleada actualmente en el mundo proviene de los combustibles fósiles. Se utilizan para combustible de motores, para la generación de electricidad, para climatización de ambientes, para cocinar, etc. 7.2 Tipos de combustibles fósiles Los combustibles fósiles son cuatro: petróleo, carbón, gas natural y gas licuado del petróleo. Se han formado a partir de la acumulación de grandes cantidades de restos orgánicos provenientes de plantas y de animales. Sus restos se acumularon en depresiones como fondos marinos o lacustres, donde quedaron fuera del alcance de los microorganismos descomponedores aerobios. Allí fueron cubiertos por capas de sedimento. La presión y la temperatura crecientes transforman progresivamente esos restos orgánicos en petróleo, carbón y gas, que pueden permanecer in situ o migrar a través de las rocas, separarse, acumularse o incluso escapar a la atmósfera. Los 19

combustibles fósiles son recursos no renovables ya que al contrario que otros recursos de origen biológico, como la leña, el carbón vegetal, el biodiésel, no se pueden reponer a corto plazo. La quema de grandes cantidades de reservas de combustibles fósiles no es consistente con limitar el calentamiento global a dos grados centígrados. 7.2.1

Petróleo

El petróleo es un líquido oleoso compuesto de carbono e hidrógeno en distintas proporciones. Se encuentra en profundidades que varían entre los 600 y los 5000 metros. Este recurso ha sido usado por el ser humano desde la Antigüedad: los egipcios usaban petróleo en la conservación de las momias, y los romanos, de combustible para el alumbrado. El petróleo y sus derivados tienen múltiples y variadas aplicaciones. Además de ser un combustible de primer orden, también constituye una materia prima fundamental en la industria, pues a partir del petróleo se pueden elaborar fibras, caucho artificial, plásticos, jabones, asfalto, tintas de imprenta, caucho para la fabricación de neumáticos, nafta, gasolina y un sin número de productos que abarcan casi todos los productos del campo. 7.2.2

Carbón

El carbón es un mineral que se ha formado a partir de restos vegetales, de distinto origen según la época geológica en la que crecieron. Esos restos, sepultados por sedimentos y sometidos sucesivamente a condiciones de anoxia, y a la presión y temperatura crecientes, se transformaron en los diversos minerales, llamado macerales que forman los carbones. Aunque la mayoría de carbones explotables provienen de los restos de helechos arborescentes que crecían durante el Carbonífero o de las gimnospermas que crecieron durante el Cretácico, —que son los dos períodos geológicos con mayor cantidad de yacimientos—, se encuentran carbones en formaciones depositadas durante todos los períodos geológicos, a partir del Devónico. La importancia del carbón radica en su capacidad calorífica, que permite su uso como combustible, y en la posibilidad de obtener de él materias primas para la industria carboquímica, que posteriormente pueden utilizarse en la elaboración de otros de artículos. Las primeras máquinas de vapor usadas en barcos, trenes y maquinaria industrial se movieron gracias a la energía que suministraba a este material.

20

Posteriormente fue desplazado por el petróleo, pero continúa siendo materia prima para obtener de él productos para la elaboración de plástico, colorantes, perfumes y aceites. 7.2.3

Gas natural

El gas natural está compuesto principalmente por metano, un compuesto químico formado por átomos de carbono e hidrógeno. Se encuentra bajo tierra, habitualmente en los mismos yacimientos en los que se almacena petróleo. Se extrae mediante tuberías, y se almacena directamente en grandes contenedores de aluminio. Luego se distribuye a los usuarios a través de gasoductos. Es inodoro e incoloro, por lo que antes de distribuirlo se mezcla con metilmercaptano, una sustancia que le da un fuerte y desagradable olor. De este modo, es fácil detectar cualquier escape de gas. 7.2.4

Gas licuado de petróleo

Está compuesto principalmente por butano y propano, gases que se comprimen hasta convertirse en líquidos, y se obtiene como subproducto del proceso de refinación del petróleo o del gas natural. Se lo utiliza principalmente como combustible alternativo para automóviles que funcionan a gasolina. Éstos se adaptan para que funcionen tanto con gasolina como con gas licuado de petróleo. A pesar de generar una potencia menor que la gasolina, sus ventajas diferenciales son el precio económico y la menor emisión de dióxido de carbono. 7.3 Ventajas y desventajas del combustible fósil 7.3.1

Ventajas

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Son muy energéticos.

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Son fácilmente almacenables y transportables. 7.3.2



Desventajas

Su extracción y su combustión aumentan la proporción de gases de efecto invernadero, como el metano y el dióxido de carbono.



Su combustión y procesado liberan a la atmósfera elementos tóxicos, como arsénico y mercurio, lo que no sucede con los combustibles obtenidos de la biomasa.



Los combustibles fósiles no son renovables, por lo que se agotan progresivamente las reservas, dificultando su extracción y afectando a su precio. 21



Son recursos de gran valor económico, y su distribución geográfica no es homogénea, por lo que su explotación puede originar o catalizar conflictos.

7.4 Usos e importancia de los combustibles fósiles Los combustibles fósiles fueron descubiertos hace miles de años. Sin embargo, fue a partir de la Revolución Industrial (a mediados del siglo XVIII) cuando comenzaron a utilizarse a gran escala en transportes y en maquinarias. Hoy son la principal fuente de energía de las sociedades porque liberan una gran carga de calor, se pueden transportar de manera sencilla y su costo de producción es más económico en comparación a otras fuentes alternativas. Se emplean para generar energía eléctrica y, principalmente, energía mecánica (para las maquinarias, los automóviles, los aviones, etc.). Presentan múltiples usos, por ejemplo: 

Residencial: Derivados del petróleo y del gas natural pueden ser utilizados en equipos como el calefón, la cocina, la garrafa, el generador eléctrico, entre otros.



Comercial: Pueden utilizarse en forma similar al residencial, pero a mayor escala. Por ejemplo, en sistemas de calefacción central.

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Agropecuario: Se utilizan para los equipos que generan aire caliente en invernaderos, para las bombas de riego, la maquinaria que trabaja la tierra, entre los principales.

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Industrial: El gas natural es utilizado en maquinarias de producción, como por ejemplo en hornos, secadoras o calderas.

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Transporte: Derivados del petróleo y del gas natural son empleados como combustible para los automotores, para facilitar una combustión más limpia de los motores o como refrigerante.

7.5 Impacto ambiental El proceso de extracción de los combustibles fósiles resulta perjudicial para el medio ambiente. El trabajo de perforación opera las 24 horas del día, lo que interrumpe el orden del hábitat casi por completo. Pueden ocurrir los siguientes problemas:

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7.5.1

Daños ecológicos

El aumento del tráfico de vehículos, el despliegue de maquinaria de trabajo y la actividad de los obreros perjudican a la fauna local. Se han registrado alteraciones en la relación entre depredadores y presas, así como también la interrupción de la comunicación entre pájaros cantores en época de anidación y de cría. 7.5.2

Derrames

Los líquidos utilizados durante el proceso de excavación son desechados en fosas paralelas para su posterior tratamiento. Sin embargo, en ocasiones se derraman de manera parcial y su impacto a largo plazo puede provocar daños en el terreno y afectar a la salud de los habitantes. Los derrames de petróleo en altamar afectan a los animales marinos por el contacto directo, la inhalación y la ingestión de los líquidos. 7.5.3

Cambios en el paisaje

La construcción de carreteras para trasladar la maquinaria necesaria hasta la zona de excavación provoca la eliminación parcial o total de la vegetación e incrementa la erosión del suelo. Ese desgaste, que se realiza de manera acelerada, causa daños que impactan en la agricultura local: provoca inundaciones y genera pérdida de las capas superiores del sueño ricas en nutrientes, entre los principales problemas. 7.5.4

Contaminación del agua y del aire

Las fosas paralelas que se utilizan para verter los desechos son pozos abiertos que pueden contener aguas residuales, productos químicos, hidrocarburos del petróleo y otras sustancias que comprometen la seguridad del agua potable. En ocasiones se producen explosiones de tuberías y de pozos, a pesar de haber sido perforados de manera adecuada. Esto ocasiona la contaminación de acuíferos y del aire, por la liberación de gas metano y de dióxido de carbono que en grandes cantidades resultan dañinos para la atmósfera y para el medio ambiente local. 7.5.5

La lluvia ácida y el calentamiento global

Son dos de los más serios problemas medioambientales relacionados con la utilización a gran escala de los combustibles fósiles.

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La lluvia ácida y el calentamiento global son dos de los más serios problemas medioambientales relacionados con la utilización a gran escala de los combustibles fósiles. Otros problemas de este tipo, como la contaminación del suelo y el vertido de petróleo, están relacionados directamente con la extracción y el transporte de los combustibles fósiles. 7.6 Extracción y refinado de los combustibles fósiles: Los geólogos utilizan una gran variedad de sofisticados instrumentos para localizar el petróleo subterráneo, el gas natural y los depósitos de carbón. Esos instrumentos permiten a los científicos interpretar la composición geológica, la historia y la estructura de cuencas sedimentarias de la corteza terrestre. Una vez localizados, el petróleo y el gas natural son extraídos mediante pozos perforados hasta el depósito. Para extraer el carbón se realizan excavaciones. 7.6.1

Petróleo y gas natural:

Para localizar los depósitos de petróleo y de gas natural, los geólogos buscan regiones geológicas con las características necesarias para la formación del petróleo: rocas ricas en compuestos orgánicos, temperaturas lo suficientemente altas para generar petróleo a partir de material orgánico y formaciones rocosas que aprisionen el petróleo. Cuando se identifican formaciones geológicas potencialmente ricas en petróleo, se excavan pozos en la cuenca sedimentaria. Si un pozo perfora una roca de almacén porosa que contenga depósitos significativos de petróleo y gas natural, la presión en el interior de la trampa puede hacer que los hidrocarburos líquidos salgan espontáneamente a la superficie. No obstante, esta presión suele disminuir, de forma que el petróleo debe ser bombeado hasta la superficie. 7.6.2

Carbón:

Debido a su gran tamaño, los yacimientos más extensos del mundo ya han sido identificados. En la actualidad, los científicos e ingenieros están trabajando para encontrar los medios económicamente más eficaces de extraer el carbón. Durante el siglo XX, la minería de carbón ha sufrido una completa transformación en la mayoría de los países: de ser una industria con mucha mano de obra, ha pasado a ser una moderna industria mecanizada, que utiliza algunos de los equipos de excavación más grandes y sofisticados jamás desarrollados. 24

7.7 Consumo de combustibles fósiles: En 1996 se consumieron en el mundo 26.100 millones de barriles de petróleo, 2,32 billones de metros cúbicos de gas natural y cerca de 4.700 millones de toneladas de carbón. Si se trasladan esas cifras a unidades de energía, se puede decir que el consumo de energía mundial en ese año fue de 137 billones de julios de petróleo, 88 billones de julios de carbón y 77 billones de julios de gas natural.

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