REVISTA (2018) 5–06, 31-35. ISSN 2395-8510

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CONAMTI 2018

Mecatrónica-Energías Renovables-Sistemas Computacionales-Innovación Agrícola

Estudio comparativo de la combustión de combustibles fósiles y

bioetanol

Hernández Flores M.A.1, Corona Rico C.E.1, Jarquin López G.1, Polupan G.2

1SEPI ESIME Culhuacan, Instituto Politecnoico Nacional ESIME Culhuacan,Av. Santa Ana No. 1000, Col. San Francisco Culhuacan, Coyoacan, C.P.

04430, México,CDMX. correspondencia: migherflor@hotmail.com, cristiancoronarico@hotmail.com, gjarquin@ipn.mx 2 SEPI ESIME Zacatenco, Instituto Politecnoico Nacional ESIME Zacatenco, Av. Instituto Politécnico Nacional 1939, Col. Lindavista, Gustavo A.

Madero, C.P. 07738,México, CDMX, correspondencia: gpolupan@ipn.mx

A R T ÍCULO

Acceptado 22 Junio 2018

Palabras clave:

Bioetanol, Caldera,

Combustión, Combustóleo, Gas

Natural.

RESUMEN

La emisión de gases de efecto invernadero es una temática importante hoy en día en México y una de las fuentes

principales son las plantas termoeléctricas, que son el motor de la generación eléctrica en este país. El objetivo del

trabajo es presentar un análisis de combustión comparativo entre tres combustibles; gas natural, combustóleo y

bioetanol, mediante una metodología de cálculo de los gases de combustión y el calor liberado neto para una misma

potencia generada. Los resultados muestran que los combustibles fósiles emiten una mayor cantidad de calor

liberado neto por unidad de combustible que el bioetanol lo cual significa un mayor consumo de este último. Sin

embargo, el bioetanol es el combustible que produce la menor cantidad de gases de efecto invernadero lo cual lo

convierte, en el contexto ecológico, en la mejor opción para su uso en la generación de energía eléctrica.

1. INTRODUCCION

La energía eléctrica es un factor determinante en el crecimiento económico

y en el desarrollo de un país y de su sociedad. Ante la incesante demanda

de energía eléctrica y el continuo aumento del precio de los combustibles

fósiles como el gas natural, uno llega a considerar el uso de energías

renovables para cubrir las necesidades energéticas del país en la medida de

lo posible.

La Agencia Internacional de la Energía menciona que en el 2015 se

emitieron 32 294 millones de toneladas de CO2 en el mundo y con una clara

tendencia a aumentar en los próximos años. De estas emisiones de CO2,

México generó 442 millones de toneladas, lo cual representa el 1.47% del

total en el mundo y ocupa el lugar número 12 en emisión de CO2 [1]. Tras

reafirmar su compromiso con el acuerdo de París en 2017 a reducir la

emisión de gases de efecto invernadero un 25% en 5 años máximo [2],

México debe implementar nuevas tecnologías para cumplirlo. Según los

datos publicados por la Secretaría de Energía, durante el 2017 en México,

el 69% de la energía eléctrica se generó en centrales termoeléctricas [3].

Una propuesta es introducir biocombustibles como fuentes primarias en las

centrales termoeléctricas, las cuales queman actualmente combustibles

fósiles.

Si se considera desde el punto de vista ecológico, el gas natural es el

combustible fósil menos contaminante, ya que no contiene azufre, ni

hidrocarburos no saturados, ni pesados. Generalmente la composición del

gas natural son hidrocarburos gaseosos y se caracteriza por la elevada

concentración de metano (CH4) [4].

El combustóleo es un combustible líquido y es el residuo de la destilación

a vacío del petróleo mezclado con aceite pesado, como diluente [4].

Figura 1. Planta termoeléctrica del Valle de México

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El bioetanol es un biocombustible obtenido a partir de la fermentación de

la masa orgánica y la biomasa rica en azúcares. El bioetanol elegido para el

análisis es uno que es producido por la empresa mexicana Fuel Flex México

S.A. de C.V. en conjunción con la Universidad Autónoma de Coahuila

(Uadec). Este combustible de segunda generación se obtiene a partir del

residuo generado durante la producción del tequila, también llamado

bagazo, y tiene una composición del 99.9% de etanol (C2H6O) [5].

La presente investigación presenta, inicialmente, un análisis de los

productos de la combustión del generador de vapor Unidad I con una

capacidad de 150 MW de la planta termoeléctrica Valle de México, ubicada

en el Estado de México (ver figuras 1 y 2). En esta Unidad se utilizan gas

natural y combustóleo; aunque este último ya no se quema en esta planta

desde hace varios años por su alto contenido de azufre, sirve como un punto

de referencia.

Posteriormente, se realiza un análisis de los productos bajo el caso

hipotético de que esta Unidad quemará bioetanol. Finalmente, esta

investigación realiza una comparación entre los tres combustibles.

2. MATERIALES Y MÉTODOS

A. Composición másica o volumétrica de los combustibles

La composición másica o volumétrica es importante en este análisis. En el

caso del gas natural y del combustóleo; sus composiciones volumétrica y

másica, respectivamente, fueron proporcionadas por el personal que labora

en la planta termoeléctrica del Valle de México. Para el bioetanol, su

composición másica se obtuvo a partir de su fórmula química [6].

B. Volúmenes de los gases de la combustión

Para el cálculo de los volúmenes de los gases de la combustión del

combustóleo y del bioetanol se utilizaron las siguientes ecuaciones con

coeficientes de exceso de aire desde 1.00 hasta 1.30 con incrementos de

0.05 [4]:

𝑉0 = 0.0889(𝐶 + 0.375𝑆) + 0.265𝐻 − 0.033𝑂 (1)

Donde:

𝑉0 = Volumen de aire con exceso de aire de 1.00 por kilogramo de

combustible. [𝑚3 𝑘𝑔⁄ ]

𝐶 = Porcentaje de carbono en la composición del combustible. [%]

𝑆 = Porcentaje de azufre en la composición del combustible. [%]

𝐻 = Porcentaje de hidrógeno en la composición del combustible. [%]

𝑂 = Porcentaje de oxígeno en la composición del combustible. [%]

𝑉𝑅𝑂2= 1.86 (

𝐶 + 0.375𝑆

100) (2)

Donde:

𝑉𝑅𝑂2 = Volumen de los gases triatómicos en los gases de combustión por

kilogramo de combustible. [𝑚3 𝑘𝑔⁄ ]

𝑉𝑁2

0 = 0.79𝑉0 + 0.8 (𝑁

100) (3)

Donde:

𝑉𝑁2

0 = Volumen del nitrógeno en los gases de la combustión con exceso de

aire de 1.00 por kilogramo de combustible. [𝑚3 𝑘𝑔⁄ ]

𝑁 = Porcentaje de nitrógeno en la composición del combustible. [%]

𝑉𝐻2𝑂0 = 0.111𝐻 + 0.0124𝑊 + 0.0161𝑉0 (4)

Donde:

𝑉𝐻2𝑂0 = Volumen del vapor de agua en los gases de la combustión con

exceso de aire de 1.00 por kilogramo de combustible. [𝑚3 𝑘𝑔⁄ ]

𝑊 = Porcentaje de humedad en la composición del combustible. [%]

De igual forma se aplicaron las siguientes ecuaciones para el gas natural

con los mismos coeficientes de exceso de aire e incrementos [4]:

𝑉0 = 0.0476 [0.5𝐶𝑂 + 0.5𝐻2 + 1.5𝐻2𝑆 + ∑(𝑚 + 0.25𝑛)𝐶𝑚𝐻𝑛 − 𝑂2] (5)

Donde:

𝑉0 = Volumen del aire con exceso de aire de 1.00 por metro cúbico de

combustible. [𝑚3 𝑚3⁄ ]

𝐶𝑂 = Porcentaje de monóxido de carbono en la composición del

combustible. [%]

𝐻2 = Porcentaje de hidrógeno en la composición del combustible. [%]

𝐻2𝑆 = Porcentaje de sulfuro de hidrógeno en la composición del

combustible. [%]

𝐶𝑚𝐻𝑛 = Porcentaje del hidrocarburo con m átomos de carbono y n átomos

de hidrógeno en la composición del combustible. [%]

𝑂2 = Porcentaje de oxígeno en la composición del combustible. [%]

𝑉𝑅𝑂2= 0.01 [𝐶𝑂2 + 𝐶𝑂 + 𝐻2𝑆 + ∑ 𝑚(𝐶𝑚𝐻𝑛)] (6)

Donde:

𝑉𝑅𝑂2 = Volumen de los gases triatómicos en los gases de combustión por

metro cúbico de combustible. [𝑚3 𝑚3⁄ ]

𝐶𝑂2 = Porcentaje de dióxido de carbono en la composición del combustible.

Figura 2. Plano esquemático de la Unidad I

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[%]

𝑉𝑁2

0 = 0.79𝑉0 + 0.01𝑁2 (7)

Donde:

𝑉𝑁2

0 = Volumen del nitrógeno en los gases de la combustión con exceso de

aire de 1.00 por metro cúbico de combustible. [𝑚3 𝑚3⁄ ]

𝑁2 = Porcentaje de nitrógeno en la composición del combustible. [%]

𝑉𝐻2𝑂0 = 0.01 [𝐻2𝑆 + 𝐻2 + ∑ 0.5𝑛(𝐶𝑚𝐻𝑛) + 1.24] + 0.0161𝑉0 (8)

Donde:

𝑉𝐻2𝑂0 = Volumen del vapor de agua en los gases de la combustión con

exceso de aire de 1.00 por metro cúbico de combustible. [𝑚3 𝑘𝑔⁄ ]

Para coeficientes de exceso de aire mayores a 1.00, se tienen las siguientes

ecuaciones [4]:

𝑉𝐻2𝑂 = 𝑉𝐻2𝑂0 + 0.0161(∝ −1)𝑉0 (9)

Donde:

𝑉𝐻2𝑂 = Volumen del vapor de agua en los gases de la combustión con un

exceso de aire α por unidad de combustible. [𝐾𝐽 (𝑚3 𝑜 𝑘𝑔)⁄ ]

∝ = Coeficiente de exceso de aire.

𝑉𝑁2= 𝑉𝑁2

0 + 0.79(∝ −1)𝑉0 (10)

Donde:

𝑉𝑁2 = Volumen de nitrógeno en los gases de la combustión con un exceso

de aire α por unidad de combustible. [𝐾𝐽 (𝑚3 𝑜 𝑘𝑔)⁄ ]

𝑉𝑔𝑎𝑠 = 𝑉𝑅𝑂2+ 𝑉𝑁2

0 + 𝑉𝐻2𝑂 + (∝ −1)𝑉0 (11)

Donde:

𝑉𝑔𝑎𝑠 = Volumen de los gases de la combustión con un exceso de aire α por

unidad de combustible. [𝐾𝐽 (𝑚3 𝑜 𝑘𝑔)⁄ ]

C. Calor liberado neto

Para el cálculo del calor liberado neto se aplica la siguiente ecuación

tomando en cuenta que cada reacción química de cada combustible es

completa y tienen un coeficiente de exceso de aire de 1.05, el cual es común

en la planta termoeléctrica [7], [8]:

𝑄 = ∑ 𝑁𝑝(ℎ𝑓𝑜 + ℎ − ℎ0)

𝑝− ∑ 𝑁𝑟(ℎ𝑓

𝑜 + ℎ − ℎ0)𝑟

(12)

Donde:

Q = Calor liberado en la reacción química [𝐾𝐽 kmol⁄ de combustible]

𝑁𝑝= Número de moles del producto p.

𝑁𝑟= Número de moles del reactivo r.

ℎ𝑓𝑜 = Entalpia de formación del producto o reactivo en el estado de

referencia (25°C y 1 atm) [𝐾𝐽 kmol⁄ ]

ℎ = Entalpia sensible del producto o reactivo a una temperatura [𝐾𝐽 kmol⁄ ].

ℎ0 = Entalpia sensible del producto o reactivo en el estado de referencia

(25°C y 1 atm) [𝐾𝐽 kmol⁄ ]

Según datos de operación de la planta, el aire entra en la cámara de

combustión a una temperatura de 270°C mientras que los combustibles lo

hacen a una temperatura de 25°C.

Cabe destacar que la formación de SOx (representados por SO2) solamente

está presente en el combustóleo ya que este es el único combustible que

contiene azufre en su composición.

Para representar el peor caso posible en la combustión, se considera que

todo el oxígeno excedente reacciona con el nitrógeno del aire resultando en

la formación de NOx (que se pueden representar por NO). Para ello se

divide la combustión en dos reacciones; una combustión completa cuya

ecuación química depende de cada combustible (en el caso del

combustóleo, en esta reacción se forman los SOx), y otra en donde se lleva

a cabo la siguiente reacción química:

𝑎𝑂2 + 𝑏𝑁2 → 𝑐𝑁𝑂 + 𝑑𝑁2 (13)

Donde los coeficientes estequiométricos de esta ecuación (a, b, c y d)

dependen de la cantidad de oxígeno sobrante y de nitrógeno resultantes de

la primera reacción química.

Para obtener el calor liberado neto después de la formación de SOx y NOx,

primero se calcula el calor generado por la combustión completa y después

se le resta el calor necesario para la formación de NOx.

Para concluir, se calcula los flujos másicos de cada combustible necesarios

para generar una potencia de 150 MW así como sus respectivos flujos

volumétricos de los gases triatómicos (CO2 y SOx) y de los gases de la

combustión (H2O, CO2, N2, NOx y SOx).

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

El aire mínimo necesario para quemar por completo una unidad de

combustible (kg para el combustóleo y bioetanol; m3 para el gas natural) se

presenta en la figura 3. El bioetanol necesita aproximadamente un 30%

menos de aire que el gas natural y el combustóleo para consumirse por

completo.

El calor liberado neto de cada combustible a un exceso de aire α = 1.05 se

muestra en la figura 4. En esta figura se puede apreciar que la diferencia

entre los combustibles es considerable en un amplio rango de temperatura

de los gases de la combustión. Asimismo, el calor liberado neto disminuye

a medida que aumenta la temperatura de los gases de la combustión.

Figura 3. Volumen de aire teórico V0 por unidad de combustible m3 /

(m3 o kg)

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El flujo de combustible necesario para producir 150 MW de potencia con

un coeficiente de exceso de aire α = 1.05 se muestra en la figura 5. El

consumo de combustible del bioetanol es el mayor entre los tres

combustibles a causa de su menor calor liberado neto, en cambio, no es

necesario tanto flujo de combustible de combustóleo gracias a su mayor

cantidad de calor liberado neto. El consumo de combustible se incrementa

de manera importante cuando la temperatura de los gases de la combustión

es mayor a 1750 K.

El flujo de gases triatómicos (CO2 y SOx) con un coeficiente de exceso de

aire α = 1.05 para cada combustible con una generación de potencia de 150

MW se muestra en la figura 6. El combustóleo es el combustible que

produce la mayor cantidad de gases triatómicos cuando la temperatura de

los gases de la combustión es menor a 2100 K debido a su alto contenido

de azufre en su composición. El bioetanol y el gas natural generan una

cantidad similar de gases triatómicos.

El flujo de gases de combustión con un coeficiente de exceso de aire α =

1.05 para cada combustible con una generación de potencia de 150 MW se

muestra en la figura 7. El gas natural es el que produce la mayor cantidad

debido a que necesita mayor cantidad de aire para quemar todos los

hidrocarburos de su composición. El combustóleo es el que genera la menor

cantidad gracias a su alto calor liberado neto.

4. CONCLUSIONES

Para una misma potencia, el bioetanol propuesto en este trabajo emite

volúmenes de gases de combustión (H2O, CO2, N2, NOx y SOx) menores a

los generados del gas natural y produce una menor cantidad de gases

triatómicos (CO2 y SOx) que el combustóleo, estos dos factores convierten

al bioetanol en el mejor combustible para el cuidado del medio ambiente.

Un factor negativo del bioetanol es su mayor consumo de combustible

comparado con el gas natural y el combustóleo para la misma potencia. Esto

se puede anular si la elaboración, transporte, almacenamiento y demás

actividades relacionadas del bioetanol son los más viables de los tres

combustibles.

No es recomendable que los gases de la combustión tengan una temperatura

mayor a los 1750 K después de la combustión ya que esto requiere un

consumo excesivo de cualquier combustible para la misma generación de

potencia y, por ende, una mayor producción de gases de combustión lo cual

es perjudicial para el medio ambiente.

Figura 6. Flujo de gases triatómicos vs temperatura de los gases de

combustión.

Figura 7. Flujo de gases de combustión vs temperatura de los gases

de combustión.

Figura 4. Calor liberado neto vs temperatura de los gases de

combustión.

Figura 5. Flujo de combustible vs temperatura de los gases de

combustión.

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REFERENCIAS

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World Energy Statistics. 60-69.

[2] Instituto Mexicano para la Competitividad (2016). México ratifica el

Acuerdo de París sobre el cambio climático [Online]. Disponible:

https://imco.org.mx/medio_ambiente/mexico-ratifica-el-acuerdo-de-paris-

sobre-el-cambio-climatico/

[3] (2017). Secretaria de Energía, Sistema de Información Energética [Online].

Disponible: http://sie.energia.gob.mx/movil.do?action=temas

[4] Reyes Santiago, Guillermo (2016). Estudio de la Combustión Incompleta

de Gas Dulce-Oxígeno en Generadores de Vapor en Fondo de Pozo

Petrolero (Tésis). México.

[5] Sánchez Banda, Felipe (2017). Bioetanol: el combustible alternativo para

México. Prensa Conacyt [Online]. Disponible:

http://www.conacytprensa.mx/index.php/tecnologia/energia/12825-

bioetanol-el-combustible-alternativo-para-

mexico?fb_comment_id=1108396525952805_1112994405493017#f47ab0

712cf3f4

[6] Chang, Raymond & Goldsby, Kenneth A (2013). Química. México. Ed.

McGraw-Hill. 11va Edición.

[7] Çengel, Yunus A. & Boles, Michael A. (2015). Termodinámica. México.

Ed. McGraw-Hill. 8va Edición.

[8] Barbosa Saldaña, Juan Gabriel & Gutiérrez Torres, Claudia del Carmen &

Jiménez Bernal, José Alfredo (2016). Termodinámica para Ingenieros.

México. Ed. Grupo Editorial Patria. 1ra Edición.