HORNOS DE PROCESO

HORNOS DE PROCESO

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CONTENIDO

1. Conceptos básicos de la Combustión. 2. Equipos de Combustión. 3. Elementos claves de la combustión. 4. Analizadores de gases de combustión. 5. Medición de tiro. 6. Aspectos ambientales 7. Ajuste y sintonía de Hornos y Calderas.

8. Quema Dual. 9. Elaboración de curvas de Optima operación 10. Formación de coque en los tubos y decoquizado. 11. Salvaguardas. 12. Problemas y soluciones mas frecuentes presentados en la

operación de hornos

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1. CONCEPTOS BÁSICOS DE LA COMBUSTIÓN

QUE ES LA COMBUSTIÓN ?

Quema controlada de un combustible

Reacción de oxidación de carácter exotérmico entre combustible y comburente.

Combinación rápida del oxígeno con un combustible existiendo además un desprendimiento de calor.

LOS TRES

ELEMENTOS

DEBEN ESTAR

PRESENTES

PARA QUE

EXISTA

COMBUSTIÓN

SI ALGUNOS DE

LOS TRES

ELEMENTOS

FALTA, LA

COMBUSTIÓN

NO SE DA

FUENTE DE IGNICIÓN

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DEFINICIÓN:

Por combustión, en el sentido mas, amplio se define como

una reacción química, exotérmica, que se realiza con una

determinada velocidad, con producción de radiaciones no

necesariamente en el espectro visible, y que se desarrolla en

fase gaseosa o heterogénea.

¿CÓMO SE DA LA COMBUSTIÓN?

… Y TODO VIENE EN PAQUETES

DE A TRES …

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• Combustible

• Oxigeno

• Ignición

COMBUSTIBLE • Sustancia capaz de combinarse con un agente

oxidante produciendo calor. Estas sustancias son, en la industria en general, hidrocarburos, estos contienen en su estructura molecular hidrógeno y carbono, y en el caso de los combustibles líquidos y sólidos, algo de azufre.

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SÓLIDOS

• SÓLIDOS NATURALES: MADERA Y RESIDUOS VEGETALES TURBAS LIGNITOS HULLAS ANTRACITA

• SÓLIDOS ARTIFICIALES: COQUES AGLOMERADOS, BRIQUETAS CARBON VEGETAL.

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LIQUIDOS DERIVADOS DEL PETROLEO

GASOLEOS

ACPM

FUEL OIL 2, 6, ETC..

RESIDUOS

ACEITE INDUSTRIAL PARA CALDERAS.

EMULSIONES (AGUA HIDROCRABUROS)

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• ESPECIFICACION DE COMB. LIQUIDOS

RELACIÓN C/H2 DENSIDAD VISCOSIDAD A DOS TEMPERATURAS. PUNTO DE INFLAMACION PUNTO DE BURBUJA PODER CALORIFICO INFERIOR (LHV) CONTENIDO DE CENIZAS CONTENIDO DE AZUFRE CONTENIDO DE METALES ACIDEZ TEMPERATURA DE ALMACENAMIENTO

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GASEOSOS: NATURAL

LICUADOS DEL PETROLEO (GLP)

ARTIFICIALES (GAS DE REFINERÍA)

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OXIGENO

• Es una sustancia oxidante que puede hacer entrar en combustión un cuerpo combustible.

• Normalmente el oxigeno lo obtenemos del aire que respiramos. Este contiene cerca de 21% de O2 y 79% de N2.

• El aire en condiciones estándar tiene una densidad de 0.0075 lb/pie cúbico.

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Temperatura de ignición

• La temperatura de ignición es la temperatura a la cual se produce la reacción entre el combustible y el oxigeno generando calor, siendo la energía liberada en este proceso lo suficientemente alta para mantener esta condición de la reacción misma, es decir, mantener el proceso de la combustión.

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COMBUSTIBLES Y COMBURENTES

Los combustibles pueden ser de diferente procedencia ( sólidos, líquidos, gaseosos) aunque todos tienen una composición fundamental de carbono, hidrógeno y azufre como elementos combustibles y de otros elementos como nitrógeno, oxígeno y metales.

El comburente es el oxígeno, el cual es principalmente aportado por el aire.

Recordemos

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LAS TRES CONDICIONES BÁSICAS

• Mezclar el aire con el combustible.

• Elevar la temperatura de la mezcla.

• Dar espacio (TIEMPO) para que se de la reacción.

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• Turbulencia

• Temperatura

• Tiempo

LAS TRES T DE LA COMBUSTIÓN

MECÁNICA DE LA COMBUSTIÓN

• Precombustión.

• Combustión.

• Postcombustión.

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• El aire debe suministrarse de tal manera que este entre en contacto íntimo con el combustible.

• La cantidad de aire debe ser tal que suministre la cantidad de oxigeno suficiente para completar la combustión (Aire estequiométrico)

PRECOMBUSTIÓN: Requerimientos de aire

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• Los gases se componen de moléculas que se mueven a altas velocidades (1500 pies/segundo, para el metano y el oxigeno a condiciones estándar).

• Las moléculas chocan de manera continua, reaccionando químicamente de manera ocasional.

PRECOMBUSTIÓN: Mezcla de aire y combustible

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• Un incremento en la temperatura incrementa el numero de colisiones y reacciones.

• Con el aumento de la temperatura, el numero de las colisiones y de las reacciones llega a un valor crítico que provoca la ignición. Tenemos Combustión !!!!

CONDICIONES QUE PROVOCAN LA COMBUSTIÓN

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REACCIÓNES DE LA COMBUSTIÓN

• Cuando el combustible y el aire se combinan en una reacción de combustión (con presencia de llama), la energía liberada se emplea en las siguientes formas:

• Calentar la reacción

• Radiar energía desde la llama a los alrededores

• Entregar energía por convección a los alrededores

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• Reacción de la combustión simplificada

Carbón + oxigeno dióxido de carbono + calor

C + O2 CO2 + Calor de combustión

Hidrógeno + oxigeno vapor de agua + calor

H2 + ½ O2 H2O + Calor de combustión

Azufre + oxigeno dióxido de sulfuro + calor

S + O2 SO2 + Calor de combustión

REACCION DE LA COMBUSTIÓN

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• Características del combustible (Poder Calorífico)

Poder calorífico bajo LHV (lower heating value MJ/kg, fuel)

Poder calorífico alto HHV (incluye el calor de condensación) Higher heating value

MJ/kg, fuel)

• Características del comburente (Aire)

Aire estequiométrico: Es la cantidad de aire requerida para lograr una combustión “perfecta”

REACCION DE LA COMBUSTIÓN

Recordemos

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LHV APORTE

BTU/pie3 (LHV*%VOL)/100

Hidrógeno, H2 274 55 151

Metano, C1 909.1 36 327

Etano, C2 1617.8 1 16

Etileno, C2= 1499 1 15

Propano, C3 2316.1 1 23

Propileno, C3= 2182.7 0.5 11

i-Butano, iC4 3001.1 1 30

n-Butano, nC4 3010.4 0.5 15

Butileno, C4= 2679.4 2 54

Pentano, C5 3698.3 2 74

716

TOTAL, % VOL 100

LHV MEZCLA

% VOLCOMPUESTO

PODER CALORIFICO DE MEZCLAS

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DIFERENTES TIPOS DE COMBUSTIÓN

• Perfecta (completa)

• Incompleta

• “explosiva”

• Se tienen las proporciones adecuadas de aire y combustible. Por lo tanto se alcanza una reacción de combustión perfecta.

CH4 + H2O + IGNICIÓN CO2 + 2H2O + CALOR

COMBUSTIÓN PERFECTA

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• Exceso de aire (mezcla oxidante)

• Exceso de combustible (mezcla rica)

OTRAS CONDICIONES PARA LA COMBUSTIÓN

EXCESO DE AIRE

• Mezcla oxidante:

CH4 + 3O2 + IGNICIÓN CO2 + 2H2O + O2 + CALOR

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EXCESO DE AIRE

P.EJ: Se tiene un % Vol. O2 = 2% Cual sería Exceso de Aire? N = 1.10

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4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

50 100 150 200 250 300 350

1

3

5

7

400

Loss

%

Stack Temparature

% O2 in Flue Gas

Pér

did

as, %

% O2 en Gas de Chimenea

Temperatura de Chimenea [°C]

T° CHIMENEA – PÉRDIDAS, %

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Stack Loss: m flue x C p x T stack Pre-calor Externo

100 %

2-3 % 50-60 %

8-12 %

Pérdidas a

través de pared

5-15 %

Fuel m fuel x LHV °

°

Duty de celda radiante

25-35 %

Pérdidas-chimenea

DIAGRAMA DE SANKEY

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EFICIENCIA

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EFICIENCIA

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EFICIENCIA

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• Mezcla rica:

CH4 + O2 + IGNICIÓN H2 + OH + H2O + CO2 + 2CO

EXCESO DE COMBUSTIBLE

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Un ejemplo de combustión se puede ver cuando se quema un

Hidrocarburo gaseoso simple como el Metano (CH4).

El carbono se combina con el Oxígeno del aire justo, para formar

dióxido de carbono (CO2). El Hidrógeno se combina con el

Oxígeno exacto y forma agua (H2O). Este tipo de combustión, se

llama Combustión completa y perfecta.

CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O

Sin embargo, en la realidad la reacción que se da comúnmente es:

CH4 + 3O2 CO2 + 2H2O + O2

Como se ve, hay mas oxígeno del necesario. Se dice que el horno

trabaja con exceso de oxígeno. Esta reacción es de Combustión

Completa pero no perfecta.

Si el aire de carga es insuficiente o se mezcla insuficientemente

con el combustible, reaccionará parte del carbono para formar

monóxido de carbono (CO). Esta combustión es Combustión

incompleta:

3CH4 + 5O2 CO2 + 6H2O + 2CO

Recordemos

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GASES DE COMBUSTIÓN: Los gases producidos por la llama y que se

encuentran fuera de la misma se denominan productos de la combustión.

Combustión completa, su composición esencial es a base de CO2, vapor

de agua y N2 del aire combustible, llevando además Oxígeno del exceso,

Anhídridos de azufre (debido al combustible), óxidos de Nitrógeno y de

otros metales del combustible, así como los gases nobles aportados en

pequeñas proporciones por el aire comburente.

Combustión es incompleta, se tendrán los productos de la combustión,

más el CO, Hidrógeno y dependiendo del combustible, metano, etc.

La presencia de vapor de agua en los productos de combustión, formado en

la propia combustión y aportado adicionalmente por el aire y el combustible,

hace que exista un punto de rocío de los productos de la combustión. Éste

es un factor bastante importante cuando se analiza la corrosividad de los

gases de combustión, especialmente si hay compuestos azufrados

presentes como el H2S.

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DEFINICIONES Y CONSIDERACIONES

• Energía mínima de ignición

• Límites de combustibilidad

• Temperatura de llama

• Velocidad de llama

• Calor disponible

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ENERGÍA MÍNIMA DE IGNICIÓN Y LÍMITES DE COMBUSTIBILIDAD

• Energía a la cual se rompen los enlaces químicos de la mezcla aire – combustible original formando compuestos intermedios altamente reactivos que desencadenan una serie de reacciones con gran liberación de energía.

• Son los límites en los cuales diferentes proporciones de mezcla aire/combustible pueden mantener el proceso de combustión

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TEMPERATURA DE LLAMA

• Es la medida de la energía liberada por la reacción química entre el aire y el combustible. Algunos aspectos a tener en cuenta son:

• Temperatura máxima teórica

• Pérdidas

• Componentes

• Disociación

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APAGADO DE LA LLAMA

ALDEHYDOS, ACIDOS Y MONOXIDO DE CARBONO

Area apagada

Area apagada

AIRE

AIRE

Area apagada

Area apagada

AIRE

AIRE

Area apagada

Area apagada

AIRE

AIRE

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VELOCIDAD DE LA LLAMA

• Es también conocida como rata de propagación de la reacción

• La reacción ocurre en la zona llamada el frente de la llama.

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Velocidad de la mezcla vs. Velocidad de la llama

NG=1ft/s air, (15ft/s-oxy)

PR=2.8ft/s air, (22ft/s-oxy)

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FACTORES QUE AFECTAN LA VELOCIDAD DE LA LLAMA

• Temperatura

• Proporción aire/combustible

• Grado de turbulencia

• Efectos refrigerantes de los alrededores

• presión

• Turn Down, permite trabajar a mayor o menor velocidad de llama.

• Entre mas rico el combustible se trabaja a mayores velocidades de llama.

Lo anterior puede producir llamas mas largas

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