PROPIEDADES DE PROPIEDADES DE LOS LOS

COMBUSTIBLESCOMBUSTIBLES

Instituto Energía, Materiales y Medio Ambiente

Universidad Pontificia Bolivariana

Clasificación combustiblesClasificación combustibles Por su estado:

Sólidos: carbón, residuos agrícolas (bagazo, cascarilla de arroz), residuos sólidos urbanos (RSU)

Líquidos: petróleo, gasolinas, diesel, alcohol Gaseosos: gas natural, GLP (Gas licuado de

petróleo), hidrogeno

Por encuentran o no en la naturaleza Naturales: Se encuentran directamente en la

naturaleza. ejm: carbón, petróleo, gas natural, leña , pastos.

Artificiales o secundarios: Son productos del procesamiento de los combustibles naturales. ejm: coque, gas combustible (CO,H2), metanol, bio-diesel, bio-etanol, derivados del petróleo.

Por su capacidad de renovación Renovables: Obtenidos a partir de Biomasa:

residuos, leña , pastos, gas combustible (CO,H2), metanol, bio-diesel, bio-etanol

No renovables: combustibles fósiles y sus derivados

Existen propiedades físicas y químicas que afectan la combustión y procedimientos asociados: Rendimiento energético Emisión de contaminantes Almacenamiento y transporte

COMBUSTIBLES COMBUSTIBLES

SÓLIDOSSÓLIDOS

Propiedades QuímicasComposición: Indica cuales son los compuestos o elementos que conforman el combustible. Análisis Próximo y ElementalReactividad: Índice de la velocidad con la cual se consume el combustible durante la combustión

Análisis Próximo o Inmediato: indica la cantidad de humedad, material volátil, carbono fijo y cenizas, adicional al poder calorífico superior

Humedad: Hum. Residual + Hum. Superficial Humedad Residual: Se determina mediante

calentamiento a 110 C durante 1 hora Humedad Superficial: Se determina mediante secado

con aire a Temperatura 10 o 15 C por encima del ambiente, hasta que el peso no varie mas de 0.1% en una hora

El contenido de agua Intrínseca: Inherente en la materia orgánica Extrínseca: Debida a las condiciones climáticas

Método de análisis de humedad residual y humedad superficial

Material volátil Materia volátil: gases que se liberan por el

calentamiento de combustible sólido (calentar 950°C,7 minutos en atmósfera inerte) . Compuesto por H2, CO2, CO, CH4,,Benceno

Alto contenido volátiles. Fácil encendido pero bajo poder calorífico

Alto carbono fijo: mayor poder calorífico

Método de análisis de material volátil

CenizasMaterial mineral no combustible, su proporción depende del tipo de explotación de carbón en la minaSe determina mediante combustión completa de 1 gr de muestra (malla 60) a 750 C

Método de análisis de cenizas

Cenizas Temperatura de fusión de cenizas: indica la

temperatura a la cual las cenizas se funden (formación de costras, afecta transferencia de calor)

Composición de las cenizas: contenido de metales o sustancias toxicas (v.g. Cadmio, Plomo, Mercurio)

Componentes de las cenizas

Volatilidad de compuestos presentes en la ceniza

Mas volátil

Menos volátil

Biomasa: mayores contenidos en cenizas con Na y K que el carbón, mas problemas de incrustaciones y corrosión en procesos termoquímicos (combustión y gasificación).

Índice de álcalis: kg de Óxidos K,Na/Poder calorífico Menor contenido de S, NO tiene Hg, As, Pb

Carbono fijo Material que queda (menos la ceniza)

después de la salida de la humedad y volátilesAlto contenido volátiles. Fácil encendido pero

bajo poder caloríficoAlto carbono fijo: mayor poder calorífico

%CF= 100-%Hum. Total-%Ceniza-%Mat. volatil

Poder calorífico: cantidad de energía que se libera en la combustión total. Puede ser reportada en dos formas: Poder calorífico superior: considera agua

liquida en los productos de combustión (Bomba calorimétrica)

Poder calorífico inferior: considera agua vapor en los productos de combustión

Método de análisis Poder calorífico

Clasificación ASTM de los carbones

Análisis Elemental Proporciona información

acerca del contenido de cada elemento que compone el combustible, tales como carbono, hidrógeno, oxígeno, azufre y nitrógeno; se utiliza para calcular los requerimientos de aire para la combustión

Efecto contenido de N sobre emisiones de NO

Composición promedio de carbones en Colombia

Fuente: U.S. Department of Energy. Benchmarking biomass gasification technologies for fuels, chemicals and hydrogen production. 2002.

Composición típica de algunas biomasas y carbones

Reactividad: Determinación de la Pérdida masa vs. tiempo

ASUNTO DE LOS ING. QUIMICOS

Diseño del reactor !!!!

Propiedades FísicasDensidadGranulometríaÍndice de moliendaÍndice de Hinchamiento

Densidad a granel: relación masa/volumen. Importante para: Costos de transporte Costos de almacenamiento Sistemas de alimentación a reactoresEn Biomasa MUY IMPORTANTE Densificación : más materia menos

volumen. Pelletización, Chips, Briquetas. Mas investigación reducir costos

densificación

Granulometría: Distribución del tamaño de partículas

Con base en ésta se determina el tamaño promedio del combustible que se usa.

Tabla equivalencia de mallas en diferentes sistemas

Quemador Tipo de carbón Granulometría

[pulgadas]

Generación de vapor

[lb/hr]

Retorta simple Bituminosos y antracitas 1 – 1 ½

5000 - 50000

Retorta múltiple No aglomerante 2 40000 - 300000

Parrilla de carga

transversal

Todo tipo excepto

aglomerante bituminoso

1 10000 - 300000

Parrilla de carga

superior

Todo tipo de carbón ¼ - 1 ½ 10000 - 300000

Cada quemador requiere diferente granulometría

Pulverizado: 80% menor que malla 200, 96.5% menor que malla 100 y 99.5 menor que malla 50

Fluidizado: Lecho burbujeante 1 mm, Circulante 0.1-0.3 mm

Índice de molienda:El índice de molienda Hardgrove caracteriza el trabajo que se necesita para llevar una muestra de un carbón a una granulometría fina, indica la facilidad con la cual el carbón puede ser pulverizado.

Carbón mas duro Menor valor índice

Carbones de bajo rango como el lignito menos duros y carbones de alto rango como la antracita mas duros.

CLAVE en selección de equipos de molienda y pulverización

Índice de Hinchamiento: establece la capacidad de coquización de un carbón (capacidad de aglomeración)Varía entre 0 y 9,

0-3 no coquizables o térmicos >3 coquizables

Método cualitativo por comparación. Calentamiento a 820°C de 1 gr muestra

malla 60, en crisol Se compara la forma del botón con

estándares de formas que tienen equivalencia en numero de índice.

Importante en determinar el uso del carbón: térmico (combustión, gasificación) coquizable (coque)

COMBUSTIBLES COMBUSTIBLES

LIQUIDOSLIQUIDOS

Los combustibles líquidos provenientes de tres fuentes: Petróleo: Keroseno (fuel 1), Fuel o

combustoleos, Jet-fuel, gasolinas.... Biomasa

Extracción mecánica: Biodiesel Fermentación: Bioetanol Termoquímicos: Líquidos Fischer Tropsch

Carbón: Líquidos Fischer Tropsch

Propiedades QuímicasComposición: Indica cuales son los compuestos o elementos que conforman el combustible. Análisis Próximo: humedad, material volátil,

carbono fijo y cenizas, adicional al poder calorífico superior

Análisis Elemental: carbono, hidrógeno, oxígeno, azufre y nitrógeno

Composición promedio de Combustibles líquidos

Agua: El agua en petróleos y derivados puede resultar peligrosa, además de restar eficiencia en el proceso mismo de la combustión. Combustibles para caldera (Crudos, Fuel Oil) que tengan cantidades considerables de aguas pueden causar que se presenten explosiones dentro de la caldera (por desplazamiento de vapores)

Corrosión por lámina de cobre: cubre la detección de la corrosividad al cobre por parte del petróleo y sus productos. Los compuestos de sulfuro que permanecen en los productos del petróleo pueden tener acción corrosiva sobre varios metales. El efecto puede variar de acuerdo al tipo químico de los compuestos de sulfuro presentes.

Propiedad critica para los lugares de almacenamiento del combustible

Propiedades FísicasDensidadViscosidadPunto de FluidezPunto de inflamaciónResistividad eléctrica

Conductividad térmicaPresión de vapor

Densidad API- Gravedad API: American Petroleum Institute

Gravedad API = (141,5/Grav.Esp. a 60 °F) - 131,5 (Agua = 10 grados API)

Mayor grado API = Menor densidad

Crudo liviano es definido como el que tiene gravedades API mayores a 31,1 °API

Crudo mediano es aquel que tiene gravedades API entre 22,3 y 31,1 °API.

Crudo Pesado es definido como aquel que tiene gravedades API entre 10 y 22,3 °API.

Crudos extrapesados son aquellos que tienen gravedades API menores a 10 ° API

Viscosidad medida de su fricción interna, o sea de su resistencia a fluir. IMPORTANTE flujo en tuberías y en atomización Varía con la temperatura

Punto de fluidez: temperatura mas baja a la cual la muestra pierde su capacidad de flujo o ya no puede verterse. En los combustibles de calderas, si el rango de temperatura desde donde se almacena el combustible hasta las boquillas en la caldera es muy bajo, esté puede dejar de fluir en algún punto y como consecuencia se detiene la operación Fuel 6: punto fluidez 46°C

Presión de vapor: Índice de volatilidad del combustible Si la presión de vapor es demasiado alta, el exceso de gases dentro de la bomba de combustible y en las tuberías reduce y hasta interrumpe el flujo de combustible, lo cual causa “burbujas de gas” que causan explosiones repentinas.

Limites de inflamabilidad: Limite inferior (LEL): menor porcentaje en

volumen de vapores de combustible en el aire capaz de sostener combustión

Limite superior (VEL): máximo porcentaje en volumen de vapores de combustible en el aire capaz de sostener combustiónGasolina: 1.4-7.4 %vDiesel:0.5-5.0 %vH2:4-75%v †† Mas amplio limite

Resistividad eléctrica: indica la tendencia a la presencia de cargas electrostáticas

Resistividad> 2x109 Ωm Posibilidad de generar cargas durante bombeoGasolina: 2x1012 ΩmDiesel: 3x1010 Ωm Se reduce riesgos de carga reduciendo la velocidad del fluido

Mínima energía de ignición: mínima energía requerida para la ignición de una mezcla optima aire-combustiblePara la mayoría de hidrocarburos y alcoholes es del orden de 0.2MJUbicar puestas a tierra para evitar acumulación de cargas

Características Crudo de Rubiales

COMBUSTIBLES COMBUSTIBLES

GASEOSOSGASEOSOS

Los combustibles gaseosos pueden provenir de: Pozos de gas libre o asociado Petróleo: Gas licuado de petróleo Biomasa y Carbón: gasificación: gas rico en H2

y CO

Propiedades QuímicasComposición: se expresa en términos de porcentaje en volumen.Determinado mediante cromatografía , análisis infrarrojo u otros métodos.

Poder calorífico: con calorímetro de gas o a partir del ΔHrxn de combustión de cada uno de los componentes del gas. Usualmente se expresa en Energía /volumen

Índice de Wobbe (W): relación entre poder calorífico superior y densidad relativa al aire del gas (d)

Índice para clasificación internacional de los gases combustibles ( Posibilidad de intercambio de gases en quemador)

PCSW

d

Clasificación de los gases según índice de Wobbe

Densidad relativa y PCS de algunos gases combustibles

Composición Gases naturales en Colombia