Tema 1 Combustibles ales (Virtual)

POP Enerxa e Sustentabilidade

NDICECombustin de combustibles slidos, lquidos y gaseosos1.1. Introduccin 1.2. Clasificacin de los combustibles 1.3. Caractersticas de los combustibles 1.4. Otras propiedades de los combustibles 1.5. Combustibles slidos 1.6. Combustibles lquidos 1.7. Combustibles gaseosos 1.8. Biomasa 1.9. Almacenamiento, transporte y distribucin de combustibles

Tecnoloxa Trmica: Combustibles Industriais

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COMBUSTIN DE COMBUSTIBLES SLIDOS, LQUIDOS Y GASEOSOS1.1. IntroduccinEl consumo de energa primaria mundial se cubre mayoritariamente con combustibles fsiles, los cuales representaron un 87,7% en el ao 2006, como se puede observar en la tabla 1.1. En dicha tabla se indican los valores de consumo mundiales por distintos tipos de energa primaria, la cual comprende slo los consumos de combustibles manufacturados comercialmente. Se han excluido otros combustibles como la madera, abonos y desechos de animales, los cuales son importantes en muchos pases, pero de los cuales no se disponen datos de consumo estadsticos. Tambin se han excluido las energas renovables (elica, geotrmica y solar, as como los biocombustibles). Por tanto, esto implica que casi el 90% de las necesidades mundiales de produccin de energa se cubren a partir de transformaciones energticas basadas en los combustibles fsiles. Petrleo 3.836,8 36,4% Gas Natural 2.474,7 23,5% Carbn 2.929,8 27,8% Energa Nuclear 627,2 6,0% Energa Hidroelctrica 668,7 6,3% Total 10.537,1 100%

Fuente: BP Statistical Review of World Energy, 2006.

Tabla 1.1. Consumos mundiales por combustibles en millones de tep. Estos datos de partida indican que el conocimiento de los procesos de transformacin (generalmente por combustin) de la energa qumica de los combustibles en calor y posteriormente en trabajo (generalmente a partir de ciclos termodinmicos) son procesos fundamentales para entender las necesidades energticas del mundo actual. Los combustibles fsiles se originan por la fosilizacin de compuestos de carbono. Estos compuestos, de formula qumica Cx(H2O)y, fueron producidos por plantas vivas en el proceso de la fotosntesis, convirtiendo as la energa solar en energa qumica: CO2 + H2O + luz solar -> Cx(H2O)y + O2 La mayor parte de los combustibles fsiles se originaron durante el periodo carbonfero de la era paleozoica, hace unos 325 millones de aos. Por efecto de las altas presiones y el calor, en ausencia de oxgeno, se transformaron en compuestos de hidrgeno y carbono, con formula qumica general CxHy, aunque en algunos casos existen fracciones significativas de otros elementos, principalmente O, N, S, adems de agua y materia mineral incombustible en el caso del carbn. Segn el proceso de transformacin, el combustible fsil generado puede encontrarse en estado slido (carbn), lquido (petrleo) o gas (gas natural).


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Antes de describir las propiedades generales que caracterizan a los combustibles fsiles para su uso energtico, se repasar el concepto de combustible y la clasificacin de estos. Se denomina combustible, a cualquier sustancia que reacciona qumicamente con un agente oxidante para obtener fundamentalmente energa en forma de calor. Esta definicin no incluye a los combustibles nucleares cuyo fundamento para la obtencin de calor obedece a otras causas. Segn sea el estado fsico de esas sustancias, los combustibles se clasifican en slidos, lquidos y gaseosos. Por su origen, se clasifican en naturales y artificiales. En apartados posteriores se detallarn ms pormenorizadamente los diferentes combustibles (no nucleares). En el caso del carbn, existen numerosos sistemas de clasificacin segn diferentes tipos de propiedades qumicas y fsicas todava sin definir. Por ello, una de las clasificaciones ms utilizadas a nivel industrial se puede encontrar en la norma ASTM D388-92a. Los combustibles contienen energa en forma acumulada, y esta energa se libera durante la reaccin qumica (denominada combustin) con el agente oxidante, manifestndose como energa trmica. La energa trmica tambin se libera durante las reacciones nucleares, cuando el ncleo de un elemento pesado como el uranio o el plutonio es bombardeado en un reactor nuclear por neutrones generalmente lentos. La fisin del ncleo a fragmentos ms pequeos est acompaada por un defecto de masa que se manifiesta como energa trmica. Al material que contiene el elemento pesado a menudo se le conoce como el combustible nuclear, aunque no ocurra reaccin qumica alguna en el proceso.

1.2. Clasificacin de los combustiblesSon aquellos que arden fcilmente con desprendimiento de calor. Se pueden clasificar en dos grandes grupos: - Por su origen: Naturales y artificiales - Por su estado: Slidos, lquidos y gaseosos Tambin se estudiar la biomasa, junto con los distintos residuos que genera, pero ser tratada de forma independiente debido a que puede presentarse tanto en forma natural como artificial, y en cualquiera de los tres estados. Los combustibles industriales naturales pueden ser: - Slidos: madera, turba, lignito, hulla y antracita, otra biomasa. - Lquidos: petrleos - Gases: Gas natural Los combustibles industriales artificiales se obtienen a partir de los naturales por diversos tratamientos. A continuacin se realiza una clasificacin de los combustibles industriales artificiales ms empleados. - Slidos: Carbn de madera y coque de hulla - Lquidos: Fuel-oil, gasleo, Gasolina y aceite de alquitrn


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- Gases: Gas de coquera, gas de gasgeno, gas ciudad, gas de horno alto, gases licuados del petrleo (G.L.P.), aire propanado o butanado. El tipo de combustible debe seleccionarse atendiendo a dos factores: tipo de proceso en que va a utilizarse y precio por unidad de energa. Aqu influyen varios factores como son el poder calorfico, humedad, contenido en cenizas y coste del transporte. Los combustibles lquidos y gaseosos son los ms apropiados, ya que permiten una combustin total y adems dejan menos residuos. En el caso de los combustibles slidos, el contenido en cenizas es tan alto que no resulta rentable su transporte, por lo que slo se utilizan cerca o en los propios yacimientos.

1.3. Caractersticas de los combustiblesLos combustibles, con independencia de su origen, poseen una serie de caractersticas y propiedades que determinan su comportamiento. Estas caractersticas se determinan a partir de dos tipos de anlisis: inmediato y elemental. El primero de ellos determina caractersticas como humedad, voltiles, carbono fijo y cenizas. El segundo corresponde a un anlisis qumico que determina los elementos que componen el combustible. As, los combustibles industriales contienen elementos combustibles: carbono, hidrgeno y azufre; y materias no combustibles (agua, silicatos, caliza, yesos y nitrgeno, principalmente). Los elementos combustibles se queman; los no combustibles se funden o pulverizan quedando despus de la combustin una parte como cenizas y escorias en el lugar donde se verific la combustin, y otra parte acompaando a los humos en forma de cenizas volantes. En particular, el agua existente y la formada en la combustin, se evaporan y acompaan a los dems gases productos de combustin, constituyendo lo que se denomina como humos, que consisten, principalmente, en vapor de agua, monxido de carbono, anhdrido carbnico y xidos de azufre y de nitrgeno, que arrastran las cenizas ms finamente pulverizadas.

Anlisis inmediatoEn este anlisis se analizan caractersticas de los combustibles relacionadas con las ventajas e inconvenientes que pueden aparecer en su combustin. En este anlisis se determina la humedad total, wt, el contenido en combustibles voltiles, V, que es la masa de materiales combustibles que se gasifica en el calentamiento previo a la combustin (principalmente monxido de carbono), el carbono fijo, CF, que es la masa de materiales combustibles que queda en forma slida hasta la combustin, y las cenizas, a; cumplindose que: wt + V + CF + a = 1 Naturalmente se ve que las definiciones de cada uno de estos componentes son indeterminadas, por lo que es preciso normalizar su proceso de determinacin para que este anlisis sea repetitivo y tenga un valor industrial. En Espaa existen las siguientes normas relativas a estos procedimientos, en concreto para combustibles minerales slidos: - Norma UNE 32-002. Determinacin de la humedad. - Norma UNE 32-019. Determinacin del contenido en materias voltiles.


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- Norma UNE 32-004. Determinacin de cenizas. - Humedad: Se define la humedad como la cantidad de agua, expresada en % en peso, que contiene un combustible. Es una caracterstica muy importante en combustibles, sobre todo en los slidos. En estos, puede presentarse de forma superficial o retenida en los poros. La humedad superficial se elimina mediante secado a temperatura ambiente; sin embargo, para eliminar la retenida en los poros hay que proceder al secado en estufas a temperaturas superiores a 100C. No tiene valor como combustible. Al evaporarla se produce una prdida de calor que se escapa con los productos de la combustin. Esta vendr dada por la suma del agua evaporada a temperatura ambiente (humedad libre o superficial), ms la eliminada en la estufa (humedad higroscpica o en los poros). As pues, si se considera una masa de m Kg, que despus de secada totalmente pesa m1 Kg, se tiene una humedad (wt)

wt =

m m1 m

- Materias voltiles: Las materias voltiles estn formadas por combinaciones de carbono, hidrgeno y otros gases. Los combustibles ricos en voltiles tienen mayor velocidad de combustin que los pobres, ya que el rpido desprendimiento de los voltiles provoca una disminucin de masa y adems se forman alquitranes y gases que arden rpidamente. El contenido en voltiles (I.M.V.) se obtiene calentando una muestra seca (m1) en ausencia de oxgeno, en un horno de mufla, durante 7 minutos y a una temperatura de 925C. La prdida de peso experimentada por el combustible determina el contenido de materias voltiles, quedando un residuo slido (m2) que recibe el nombre de coque.

V =

m1 m2 m

- Contenido en carbono: Para determinar el contenido en carbono fijo (C.F.) se quema el coque obtenido anteriormente (m2), con lo cual se obtiene la masa de las cenizas (m3), que son incombustibles. Este contenido en carbono fijo vendr determinado por la diferencia entre el peso inicial (m) y la suma del de la humedad (m1), voltiles (m2) y cenizas (m3). Tambin se puede obtener de la siguiente expresin:

CF =

m 2 m3 m

- Cenizas: Las cenizas (a) son el residuo resultante de la combustin completa de un combustible. Las cenizas disminuyen la calidad del combustible, bajando la temperatura de combustin y el rendimiento, reducen el contacto entre combustible y comburente, atacan las paredes refractarias de los hogares, dificultan la transmisin de calor, reducen el poder calorfico del combustible, su extraccin es costosa, etc.


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Anlisis elementalEl anlisis qumico del combustible, sobre todo si es slido, es necesario para poder efectuar los clculos referentes a la combustin y da los resultados en porcentajes en peso, de los constituyentes de mismo. El procedimiento para la realizacin del anlisis elemental est normalizado, debindose poner especial atencin a la trituracin previa de la muestra, para asegurar la representatividad de la muestra analizada. As pues, en el anlisis elemental se determinar adems de la humedad y cenizas, el contenido en peso de cada elemento qumico que entra en la composicin, como: - Carbono total (ISO 625-1975): El carbono procede de la sustancia orgnica y de los carbonatos minerales. Ser la suma del carbono fijo y del contenido en las materias voltiles. - Hidrgeno (ISO 625-1975): El hidrgeno est presente en la sustancia orgnica en forma de humedad y agua de hidratacin o de constitucin de los silicatos de la materia mineral. Puede existir como constituyente de las materias voltiles y de la humedad inherente. El anlisis qumico descompone el agua no evaporada en hidrgeno y oxgeno. - Azufre (UNE 32-008 y 32-009): La mayora de los combustibles contienen algo de azufre, el cual nicamente puede determinarse por anlisis qumico. El azufre est presente en tres formas: como pirita o marcasita, como compuestos sulfurados orgnicos o como sulfatos inorgnicos. El azufre no tiene su plena potencia calorfica si no se encuentra en estado libre. En porcentajes elevados podr formar escorias muy perjudiciales. Durante la combustin, el azufre como impureza forma xidos, que corroen piezas de hornos y calderas, siendo adems sus emisiones a la atmsfera muy contaminantes. - Nitrgeno (UNE 32-013): El nitrgeno se encuentra en todos los carbones, ligado a combinaciones orgnicas, en pequeos porcentajes. Al ser inerte, al igual que las cenizas, este elemento no produce ningn efecto perjudicial, a excepcin de que hay que manipular su peso en el tonelaje del combustible comprado y que disminuye la cantidad de energa disponible por unidad de masa de combustible. - Oxgeno: Todo el oxgeno contenido en el carbn se supone que se halla combinado con hidrgeno en forma de agua; como consecuencia la descomposicin del vapor de agua da el contenido de oxgeno. El contenido en oxgeno se estima por diferencia a 100 de la suma de carbono, hidrgeno, nitrgeno, azufre total y cenizas corregidas exentas de azufre. El oxgeno rebaja la potencia calorfica del combustible, aunque contribuye a las necesidades del aire de combustin. La humedad, cenizas, azufre, oxgeno y nitrgeno son impurezas del combustible, que se radicalizan especialmente en combustibles slidos, y tienen una gran influencia en algunos fines determinados. Este anlisis se puede dar para materia seca, hmeda o sin cenizas. - Humedad: El agua est presente siempre en el carbn, as, puede constituir un contenido superficial adquirido en el lavado, transporte y almacenamiento, o puede permanecer ocluida en los poros o combinada qumicamente. La humedad contenida en un combustible slido como el carbn, puede considerarse integrada por dos tipos diferentes


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* Primera fraccin de humedad o humedad libre o humedad superficial. Es el agua superficial retenida por las fuerzas de tensin superficial que empapa la masa del combustible, desaparece mediante secado al aire a la temperatura ambiente (45C), en un local seco y ventilado. * Segunda fraccin de humedad o humedad higroscpica o humedad en los poros. Es el agua retenida en los poros, o contenida en el combustible en equilibrio con la humedad del aire ambiente, o que forman parte de la estructura slido-cristalina del combustible, que no se evapora mediante secado al aire ambiente, siendo necesaria una temperatura superior (>105C) para eliminarla. - Cenizas: Dentro de las cenizas, se agrupan todos los dems materiales no combustibles, distintos del agua.

Expresin de los resultados de un anlisis en distintas basesLa mayora de las determinaciones de un anlisis se realizan en el laboratorio secando la muestra hasta su equilibrio con la atmsfera del laboratorio. En estas condiciones los resultados se dan en base seca (referida a aire seco). En ciertos casos segn donde se tomen las muestras para el anlisis puede resultar ms conveniente y significativo expresar los resultados en fracciones msicas (y) corrigiendo a otras bases, es decir, los tipos de anlisis pueden ser: Referido a como se quema, (y), o sea en la situacin en que se toma el combustible del parque o los depsitos para llevarlo a la caldera, normalmente con menos humedad que como se recibe. Referido a base seca, (y), o sea habiendo eliminado toda la humedad libre. Referido a base sin cenizas, (ya), o sea descontando la materia mineral incombustible. Referido a material combustible, (y), o sea despus de retirar toda la humedad y las cenizas. As se determinan, adems de c, h, s, n y o, las cenizas (a) y la humedad libre (w). Luego, en el anlisis de un combustible se cumple (en tanto por uno en peso o fraccin msica): c+h+s+n+o+a+w=1 El anlisis de combustible seco, es decir, sin humedad, w, resultar: c' + h' + s' + n' + o' + a' = 1 y el anlisis de material combustible, es decir, sin humedad y si cenizas, dar el resultado: c" + h" + s" + n'' + o'' = 1 Las relaciones entre las fracciones msicas (y = c, h, s, n, o, a, w) calculadas con las distintas bases pueden obtenerse como sigue:


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y =

y 1 w

ya =

y 1 a

y=

y 1 w a

1.4. Otras propiedades de los combustiblesA continuacin se va a tratar el estudio de algunas de las propiedades de los combustibles, debiendo destacarse que segn el tipo de combustible unas u otras tendrn mayor importancia.

Poder calorficoLa calidad de un combustible viene dada por la cantidad de calor que desprende en la combustin, calculada para la unidad de masa (kJ/kg kcal/kg) (caso de los combustibles slidos y lquidos) o de volumen (kJ/m3 kcal/m3) (combustibles gaseosos). No todo el calor producido durante la combustin de un combustible, es ntegramente aprovechado, ya que los combustibles slidos poseen siempre humedad y los lquidos y gaseosos, an en el caso de no tenerla, producen agua durante la combustin, que hay que vaporizarla. Por tanto, se distinguirn dos tipos de poderes calorficos: superior e inferior. Se define el Poder Calorfico Superior (P.C.S.) de un combustible como la cantidad de calor desprendida al quemar un Kilogramo de combustible, teniendo en cuenta el calor desprendido por la condensacin del vapor de agua contenido en los productos de la combustin. Por otro lado, el Poder Calorfico Inferior (P.C.I.) de un combustible es el calor desprendido por kilogramo de combustible, descontando la energa calorfica absorbida por la vaporizacin del agua contenida en los productos de la combustin. La diferencia entre ambos es el calor latente de vaporizacin del agua resultante de la combustin del combustible. El poder calorfico se mide con instrumentos llamados calormetros que son recipientes en los que se realiza la combustin y estn dispuestos de forma que se pueda medir la elevacin de temperaturas de masas cuya capacidad calorfica es conocida. Para slidos y lquidos se utiliza el calormetro de Emerson o la bomba Malher y para gases se utiliza el calormetro Junkers. Tambin la potencia calorfica se puede expresarse de tres formas: tal como se recibe o quema; seco o exento de humedad; o sin cenizas ni humedad (sobre materia combustible). Norma UNE 9205:87. Clculos relativos a la combustin Dada la existencia de diferentes formulas empricas que conducen a definiciones y valores del poder calorfico no coincidentes, la Norma UNE 9205:87 establece las definiciones fundamentales a adoptar por los tcnicos, con el fin de unificar criterios sobre los trminos y/o conceptos aplicables en los clculos relativos a la combustin de los productos combustibles. Esta norma se aplicara a la combustin de cualquier combustible industrial slido, lquido o gaseoso, compuesto por carbono (c), hidrogeno (h), oxgeno (o), nitrgeno (n), azufre (s) y cenizas (a), cuya composicin, en tanto por uno en peso, se representa por los smbolos en minsculas. Esta norma presupone la combustin


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completa del combustible con un volumen de oxgeno en el aire de combustin superior al estequiomtrico. As, en dicha norma, el poder calorfico de un combustible queda definido por el nmero de unidades de calor liberadas por la unidad de masa o de volumen del combustible, quemada en un calormetro en condiciones previamente establecidas. Es decir: - El poder calorfico de un combustible slido o lquido es su capacidad de combustin referido a la unidad de masa, que en la prctica industrial suele ser el kilogramo; se expresa en kJ/kg. - El poder calorfico de un combustible gaseoso es la cantidad de calor liberada por la unidad de volumen de dicho gas, y se suele expresar en kJ/m3 de gas en condiciones normales (a 0 C de temperatura y 760 mm de columna de mercurio). Los valores de poder calorfico que se utilizan normalmente son los siguientes: - Poder calorfico superior (P.C.S.): Es la cantidad total de calor de un combustible, incluyendo el calor latente del agua formada por la combustin del hidrgeno contenido en dicho combustible seco. - Poder calorfico inferior (P.C.I.): Es la cantidad de calor que resulta al restar del poder calorfico superior el calor latente del agua formada por la combustin del hidrgeno contenido en el combustible seco. - Poder calorfico segn se quema (P.C.Q.): Es la cantidad de calor correspondiente al peso de combustible seco contenido en 1 kg de producto combustible, expresado en PCI en las condiciones en que se introduce en el hogar de combustin. - Poder calorfico til (P.C.U.): Es la cantidad de calor que resulta al restar del PCI el calor necesario para evaporar, en la combustin, la humedad del combustible segn se quema. Como la humedad de un combustible es variable segn las condiciones en que llega al hogar, se tomarn como valores caractersticos de un combustible su PCS y PCI referidos a base seca, es decir, exentos de humedad, y sern variables los valores de PCQ y PCU en funcin de la humedad del combustible segn se quema. Clculo del poder calorfico segn anlisis qumico En el caso de combustibles lquidos o slidos en base seca, una vez conocida su composicin qumica, y al ser verdaderamente combustibles slo los elementos carbono, hidrgeno y azufre, su poder calorfico superior se puede obtener aplicando la frmula siguiente:

PCS = 8000c + 34160h + 2500s kcal / kgY si al valor as obtenido, se resta el calor latente del agua formada por la combustin del hidrgeno, se obtendr el poder calorfico inferior de dicho combustible. Teniendo en cuenta que 1 kg de hidrgeno proporciona 9 kg de agua, y tomando como calor latente de condensacin del vapor de agua 600 kcal/kg, resulta:

PCI = PCS (9 x600)h = PCS 5400h kcal / kg


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Si el combustible segn se quema tiene un tanto por uno de humedad (w), la cantidad de combustible real ser (1-w) en kg/kg de producto combustible, y sus valores PCQ y PCU vendrn dados por: PCQ = PCI x (1 - w) kcal/kg de producto combustible PCU = PCQ - 600 x w kcal/kg de producto combustible

Los combustibles gaseosos, en la prctica industrial, suelen ser mezclas (con componentes tales como H2, CO, CH4, C2H6, CmHn, C02, N2 y 02), y los poderes calorficos estn relacionados directamente con los correspondientes a cada componente y con su proporcin en la mezcla. As, el poder calorfico superior ser igual a la suma de los poderes calorficos superiores de cada componente multiplicados por el tanto por uno de cada componente en la mezcla gaseosa; y para obtener el PCI de la mezcla se seguir este mismo procedimiento, pero utilizando en esta ocasin los poderes calorficos inferiores de cada uno de sus gases combustibles componentes. Frmula de Goutal A partir del anlisis inmediato, es posible calcular el poder calorfico por frmulas aproximadas, como la frmula de Goutal, no debiendo aplicarse nunca para un balance trmico. Pcs = 4,1868 (82CF + V) kJ/kg de combustible siendo: CF = contenido en carbono fijo en tanto por ciento en peso; = poder calorfico superior de los voltiles en kcal/kg, dividido por 100; y V = contenido de voltiles en tanto por ciento en peso. Goutal tabula en funcin del contenido de voltiles en tanto por ciento del combustible puro V'' (combustible supuesto sin cenizas ni humedad total), es decir, V'' = 100 V/( V+CF ). V'' 5 150 10 130 15 117 20 109 25 103 30 96 35 89 40 80 55 70

Tabla 1.2 Valores del coeficiente " " en la frmula de Goutal.

DensidadLa densidad absoluta () de un cuerpo determinado se define por la relacin entre la masa (m) de un cierto volumen (V) de ese cuerpo y dicho volumen, a una temperatura dada. La densidad relativa (r) es la relacin entre las masas de volmenes iguales de dos cuerpos, y es adimensional. Para los slidos y lquidos se toma como elemento de referencia el agua en condiciones normales de 1 bar y 15 C. En el caso de los gases, el elemento de referencia es el aire tomado a 1 bar de presin y 0 C. Salvo que se especifique lo contrario, cuando se habla de la densidad de un combustible lquido deber entenderse que se refiere a la que presenta el producto


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a 15C y a la presin atmosfrica (760 mm Hg). La densidad es funcin de la temperatura y presin del lquido. No obstante, en los lquidos, debido a su reducido coeficiente de compresibilidad, los efectos de la presin pueden despreciarse en la prctica. No ocurre as con la temperatura, debiendo expresarse el valor de este parmetro al indicarse la densidad del lquido. As, para productos petrolferos lquidos se corrige el valor de la densidad dt observada en un densmetro a la temperatura tC, mediante la expresin:

d15 = d t + k (t 15)en la que k es un factor de correccin.

ViscosidadLa viscosidad es la medida fsica de la resistencia que opone un lquido a fluir cuando se le aplica una fuerza exterior, es decir, es una magnitud que determina la resistencia a esfuerzos cortantes de un fluido. Esta caracterstica, propia de combustibles lquidos, es variable con la temperatura, y constituye su propiedad ms importante, ya que condiciona los sistemas de almacenamiento, transporte y combustin. Existen dos tipos: viscosidad dinmica o absoluta (), con dimensiones Kg /(m s), y viscosidad cinemtica (v) que posee dimensiones de m2/s, obtenida al dividir la viscosidad dinmica entre la densidad del combustible. Las equivalencias existentes son las siguientes: 1 Pas = 1 Ns/m2 = 10 poises = 103 cp 1 m2/s = 104 Stokes = 106 cSt

Adems de las unidades mencionadas, existen otras que relacionan el tiempo de vaciado de un recipiente lleno de combustible, respecto al empleado por la misma cantidad de agua, usualmente a 20C. Segn el volumen del recipiente, aparecen los siguientes indicadores: - ndice de Engler (E), para un recipiente de 200 cm3. - ndice de Saybolt (Segundos Saybolt Universal, s.s.u.), para un recipiente de 60 cm3. - ndice de Redwood (R), donde se utiliza un recipiente de 50 cm3.

Lmites de inflamabilidadPara que se produzca la combustin es necesario que exista un combustible y un comburente, debiendo estar las proporciones relativas de ambos prximas a las correspondientes a la combustin estequiomtrica. La inflamabilidad depende de la velocidad de propagacin de la llama, la cual est relacionada con las condiciones de propagacin del calor a travs de la mezcla, que es mayor cuando aumenta la temperatura de la llama. La combustin solo podr producirse cuando el porcentaje de combustible, en la mezcla aire-combustible, se encuentre entre los lmites superior e inferior de inflamabilidad, ya que si estamos por debajo del lmite inferior no existir suficiente combustible, y si nos encontramos por encima del lmite superior no habr suficiente aire.


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Los lmites de inflamabilidad son diferentes para cada sustancia, y an para sta varan con la presin y temperatura, adems de con otros factores.

Temperatura de inflamacin y de ignicinLos combustibles no inician la combustin en el aire por debajo de determinada temperatura, distinta para cada combustible, denominada temperatura de inflamacin, que se define como la menor temperatura a la que se inflaman los vapores emitidos al ponerlo en contacto con una llama que si es retirada no hace posible mantener la combustin. La combustin slo ser posible si el combustible alcanza la temperatura de ignicin (superior a la de inflamacin), que es aquella en que se genera ms calor por combustin que el que se pierde al ambiente, resultando as el proceso de combustin autosuficiente. La temperatura de ignicin se emplea para determinar la temperatura mxima que debe alcanzar el combustible en su almacenamiento y trasiego, as como la temperatura mnima a que deben mantenerse todos los puntos de la cmara de combustin.

1.5. Combustibles slidosCombustibles slidos naturalesBiomasa Es el conjunto de materia orgnica renovable de origen vegetal, animal o procedente de la transformacin natural o artificial de la misma que son susceptibles de ser utilizados para fines distintos de los alimentarios o industriales. Por su potencial y aplicaciones actuales, se dedicar un epgrafe exclusivo. Por su papel predominante en la historia de la humanidad, el combustible slido por excelencia se encuentra entre esta biomasa, y es la madera. Esta puede presentarse en forma natural o bien en forma fsil (carbn). El poder calorfico de la madera depende de la proporcin de lignina y celulosa, siendo la lignina quien mayor poder calorfico aporta (del orden de 25000 kJ/kg), mientras que la celulosa posee un poder calorfico superior de 1600 kJ/kg. Su uso est restringido a las grandes plantas de manipulacin maderera. El carbn Es una mezcla de carbono, hidrgeno, oxgeno, nitrgeno, azufre, agua y cenizas, que inicialmente exista en forma de material vegetal y qued enterrado en el lecho de pantanos y lagos. Debido a la accin combinada del tiempo, presin y temperatura, los vegetales se transformaron en carbn. En la naturaleza se encuentran muestras de todas las etapas del proceso, desde la estructura brillante de la antracita hasta el blando y deleznable lignito. La comparacin de los carbones se hace basndose en su materia combustible, debido a que su contenido de cenizas y humedad vara considerablemente. Debido a la naturaleza del carbn no se puede hacer una clasificacin totalmente satisfactoria y generalmente se emplean las siguientes subdivisiones:


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Antracita: Carbn muy duro que posee un color negro brillante. No se coquifica. Posee un elevado porcentaje de carbono y menos del 8% de materias voltiles. Es difcil hacerlo arder, necesitndose temperaturas muy altas y un tiro intenso. Arde sin llama o con llamas muy cortas y azuladas. Es indicado cuando se necesita una combustin sin humos. Su poder calorfico es de 35.000 kJ/kg. Carbn semi-bituminoso: Es el carbn bituminoso de ms calidad y arde con muy poco humo. Es ms blando que la antracita, conteniendo entre 14 y 22% de materias voltiles. Un inconveniente es que tiende a romperse en trozos pequeos durante su transporte y almacenamiento, aunque esto es muy poco problemtico, en la produccin de vapor, mientras el tamao sea uniforme. Carbones bituminosos: Son blandos y poseen un elevado porcentaje de materias voltiles, ardiendo con llamas largas amarillas y humeantes. Carbones sub-bituminosos: Se suelen denominar lignitos negros. Son carbones bituminosos de baja calidad que han perdido la estructura leosa de los lignitos. Estos carbones se desintegran al exponerse al aire y requieren mucha vigilancia mientras estn almacenados. Su porcentaje de materias voltiles est comprendido entre 15 y 35% y su contenido de humedad oscila entre el 17 y 20%. Lignitos: Son el estado de transicin entre la turba y el carbn subbituminoso. Tienen aspecto de madera y, frecuentemente, de arcilla. Su poder calorfico es bajo (20.000 kJ/kg) y tienen un gran grado de humedad y cenizas. La humedad inicial llega hasta el 40%, pero la pierden fcilmente exponindolos al aire, lo cual puede provocar una rpida desintegracin de este combustible. Slo son interesantes para consumirlos en instalaciones situadas en boca de mina. Turba: es el ms moderno de todos los carbones, por lo que posee una humedad muy alta (supera el 75%), constituyendo una sustancia esponjosa. Su poder calorfico inferior es bajo (15.000 kJ/kg), no siendo un buen combustible.

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En definitiva, conforme ms arriba se encuentre clasificado un carbn, posee normalmente ms cantidad de carbono, y menos cantidad de productos voltiles y oxgeno. Dado que los porcentajes de los distintos constituyentes varan considerablemente, es asimismo muy variable la cantidad de calor que pueden producir por unidad de peso. Debido a que el carbn en su estado natural no es ni una sustancia pura ni tiene composicin uniforme, no es posible atribuirle una frmula qumica definida; por tanto, si se necesita conocer su composicin hay que analizarlo qumicamente.

Combustibles slidos artificialesCarbn de madera: La destilacin seca de la madera o carbonizacin industrial se realiza en unas cmaras cerradas, sin aporte de aire, obtenindose unos residuos slidos (carbn vegetal), lquidos (cido actico, acetona, metanol, agua, alquitrn, etc.) y gaseosos. El carbn de madera resultante puede considerarse exento de azufre, conteniendo un 1% de cenizas y, secado al aire, un 6-7% de humedad. El carbn de madera puro, es decir, sin considerar las cenizas y la humedad, est


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formado nicamente por carbono, hidrgeno y oxgeno, dependiendo los porcentajes de los mismos de la temperatura a la que se ha realizado la carbonizacin. El poder calorfico est comprendido entre 31.400 y 37.000 kJ/kg. Coque de hulla: El coque de hulla o simplemente coque es el combustible slido industrial de mayor importancia. Se obtiene por destilacin de la hulla a temperaturas superiores a los 1.000C. Su poder calorfico es del orden de 31.500 kJ/kg. El coque tiene un color grisceo y cierto brillo metlico, contiene menos azufre que la hulla, no se aglomera ni pulveriza y no produce gases desagradables ni da humos al arder.

1.6. Combustibles lquidosProceden en un 99% de la destilacin fraccionada del petrleo y consisten en una mezcla de diversos hidrocarburos (vase tabla 1.3). Sus ventajas principales son la gran cantidad de energa por unidad de volumen y su fcil y seguro manejo, almacenamiento y transporte. Durante el proceso de mezcla con el aire, los combustibles lquidos deben vaporizarse o atomizarse. Producto Gas de refinera GLP Gasolina directa Nafta pesada Fracciones medias Queroseno Gasoil Fuel oil ligero Fracciones Pesadas Fuel oil pesado Asfaltos Intervalo de temperatura de ebullicin C35 Aplicaciones Combustible para la refinera, calefaccin domstica e industrial Combustible para la refinera, calefaccin domstica e industrial Combustible para automviles Materia prima para productos qumicos, disolvente Lmparas de alumbrado, combustible para turborreactores Combustible para motores diesel Combustible para buques, locomotoras, etc. Materia prima para lubricantes, ceras y parafinas, cremas, aceites Pavimentacin, impermeabilizacin, abrasivos, electrodos

Fracciones ligeras

Tabla 1.3. Fracciones obtenidas en la refinera por orden de volatilidad y longitud de las cadenas (Vian et al., 1994). En la tabla 1.4 se indican las caractersticas de diversos combustibles lquidos. El Fuel I es un derivado del petrleo que tiene un 3,5 % de azufre. Existe otro tipo de


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fuel, el Fuel II, que se obtiene al final del proceso de destilacin, y contiene mayor proporcin de azufre (3,6%) e impurezas. El Fuel BIA tiene un 1% de contenido en azufre (BIA: Bajo ndice de Azufre). En cuanto al uso del gasoil, existen tres tipos: A, B y C, dependiendo de que su uso sea para automocin, maquinaria agrcola o calefaccin. Son muy similares, y la diferencia principal entre ellos es debida a los impuestos que se les aplica. Combustible Fuel BIA Fuel I Gasleo Metanol Etanol Gasolina Densidad (kg/m3) 950 950 810-840 790 790 720-770 PCI (kJ/kg) 41.000 40.546 43.200 19.700 26.800 43.700 Fracciones msicas (% en peso) 85C, 14H, 1S 85C, 12H, 3S 86C, 13H, 0,5S 38C, 12H, 50 O 52C, 13H, 35 O 86C, 14H

Tabla 1.4.- Caractersticas de diferentes combustibles lquidos Existen tambin unos tipos de combustibles constituidos por una mezcla de varios, tales como el IFO, mezcla de gasleo y fuel I. Otro combustible mixto es el dieseloil, mezcla de gasleo al 80% y 20% de fuel I. Por otro lado, existen diferentes combustibles lquidos procedentes de biomasa, obtenidos a travs de procesos aerobios o anaerobios de conversin bioqumica de aquella, como por ejemplo, la fermentacin alcohlica de caa de azcar y remolacha para obtener etanol. Los combustibles lquidos se pueden clasificar en cuatro categoras, dependiendo del punto de inflamacin de stos: * Clase A: hidrocarburos licuados (GLP). Pertenecen a gases combustibles. * Clase B: su punto de inflamacin es inferior a 55C (gasolinas, petrleo, naftas, kerosenos, alcoholes, etc.) * Clase C, cuyo punto de inflamacin esta comprendido entre 55C y 100C (gasoil, fueloil, diesel oil.) * Clase D: tienen un punto de inflamacin superior a 100C (asfaltos, vaselinas, parafinas, lubricantes, etc.). En los pases industrializados se prepara una amplia gama de fuelleos en funcin de las caractersticas medias especificadas para cada uso. La temperatura del fueloil debe ser lo suficientemente elevada para mantener baja la viscosidad, facilitando la atomizacin del mismo. Otros combustibles lquidos Son el resultado de un proceso de transformacin de biomasa dando lugar a alcohol etlico (bioetanol) y derivados o aceites vegetales (bioaceites) y derivados. Su aplicacin principal es sustituir a los combustibles lquidos convencionales en


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motores trmicos, sobre todo para el sector del transporte. Por su importancia se tratar posteriormente en el apartado sobre uso de biomasa.

1.7. Combustibles gaseososA los gases que intervienen en los procesos de combustin se les denomina gases combustibles. Debido a las diferentes caractersticas de los combustibles gaseosos, que tienen un origen diverso, se clasifican en base al ndice de Wobbe (W): es el cociente entre el poder calorfico superior (PCS) y la raz cuadrada de la densidad relativa del gas (r), igual a la relacin entre la densidad del gas (gas) y la del aire (aire).

W=

PCS

r

Cuando sea requerida una mayor precisin se recurrir a la norma UNE EN ISO 6976:2005 para el clculo del poder calorfico, densidad, densidad relativa e ndice de Wobbe a partir de la composicin. As pues los combustibles gaseosos se clasifican en las siguientes familias: * Primera familia: ndice de Wobbe comprendido entre 23,86 y 31,4 MJ/Nm3. A esta familia pertenecen el gas manufacturado, el gas de coque y el gas de mezcla hidrocarburo-aire de bajo ndice de Wobbe (aire metanado). * Segunda familia: ndice de Wobbe comprendido entre 41,28 y 57,99 MJ/Nm3. A esta familia pertenecen los gases naturales y las mezclas de hidrocarburos-aire de alto ndice de Wobbe (aire propanado). * Tercera familia: ndice de Wobbe comprendido entre 77,46 y 92,40 MJ/Nm3. En este grupo estn los GLP (propano y butano comerciales).

Gases combustibles naturales y artificialesGas Natural (GN) Se conoce con el nombre de gas natural a una mezcla de gases combustibles que se encuentran en la naturaleza, en forma de bolsas y bajo tierra, cubiertas por capas impermeables que impiden su salida hacia el exterior. El gas natural est compuesto principalmente por metano (en proporcin superior al 70%), siendo los restantes componentes hidrocarburos saturados como el etano, propano, pentano, butano y pequeas proporciones de otros gases como anhdrido carbnico, nitrgeno y en algunos casos cido sulfhdrico, oxigeno e hidrgeno. La proporcin en que estn presentes estos gases no suele sobrepasar el 15%. El gas natural proviene de un proceso anlogo al de formacin del petrleo y se puede encontrar en los pozos petrolferos junto al crudo (gas natural asociado) o bien en yacimientos propios (gas natural no asociado). Gases Licuados del Petrleo (GLP) Estos hidrocarburos estn presentes en los crudos y disueltos con el resto de componentes, de los que se separa por destilacin fraccionada. Algunos gases naturales contienen propano y butano en pequeas proporciones; en estos casos,


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se suele extraer antes de proceder a la distribucin del GN por tuberas. Se denominan as al propano, butano y sus mezclas, que se almacenan y transportan a presin para mantenerlos en estado lquido. Estos sufren una desulfuracin y una separacin en la que se obtienen sus dos productos ms importantes: el propano y el butano comerciales, en los que el principal componente es el que da el nombre al producto. Pertenecen a los hidrocarburos clase A. Aire propanado Es una mezcla de aire y propano comercial, que se distribuye a los puntos de consumo mediante canalizaciones, similares a las empleadas para el gas natural o gas manufacturado. La proporcin de cada uno de sus componentes vara en funcin de su uso, siendo los ms frecuentes: Como complemento al gas manufacturado (bajo ndice de Wobbe) y como intercambio con gas natural (alto ndice de Wobbe). El GLP se inyecta a presin elevada en la garganta de un venturi, provocando as una depresin que absorbe el aire. Gases Manufacturados (Gas Ciudad) Son los gases combustibles que se fabrican a partir de otras materias primas, y que suelen distribuirse mediante una red de tuberas, desde la fbrica hasta los domicilios de los consumidores. Este gas se ha venido obteniendo utilizando como materia prima carbn, mediante procesos de destilacin de la hulla (gas de hulla) y gasificacin del carbn con vapor de agua (gas de agua). Sin embargo, los procesos ms utilizados en la actualidad emplean como materia prima diferentes fracciones petrolferas o bien gas natural, empleando dos procesos de produccin, como son: a) Oxidacin parcial: su ventaja principal es que admite cualquier hidrocarburo, desde gas natural hasta crudo petrolfero o cualquiera de sus fracciones. La gasificacin se lleva a cabo mediante la reaccin del hidrocarburo con oxgeno y agua a altas temperaturas (1100 a 1500 C). En la reaccin que tiene lugar se produce monxido de carbono. b) Reformado cataltico: como materias primas ms empleadas est el gas natural y naftas ligeras. En la primera fase del proceso se forma monxido de carbono e hidrgeno, en una reaccin endotrmica, tras lo cual se enfra el gas obtenido y se hace reaccionar con ms vapor de agua en un lecho de catalizador, donde se produce dixido de carbono y agua. En otras etapas se elimina una parte del CO2, y otra parte reacciona con el hidrgeno para producir metano (CH4): Gasificacin del carbn En este apartado se analiza la transformacin del carbn en un combustible gaseoso. Este proceso se lleva a cabo en un reactor, con una atmsfera especial y a temperatura entre 800 y 1500C. La atmsfera en la que se producen las reacciones que dan lugar a la gasificacin del carbn puede ser de tres tipos: * Aire + vapor de agua: se obtiene un gas de bajo poder calorfico. * Oxgeno + vapor de agua: gas con un poder calorfico medio y se emplea como gas de sntesis para la obtencin del amonaco y metanol, y como gas reductor para la reduccin directa del mineral de hierro.


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* Hidrgeno + vapor de agua: se obtiene un gas con alto contenido de metano que recibe el nombre de gas natural sinttico (GNS) y cuyo poder calorfico es muy elevado. A la salida del reactor, el gas se somete a un proceso de purificacin y una desulfuracin para eliminar las partculas slidas y componentes de azufre (principalmente SH2). En ocasiones tambin se le hace reaccionar con vapor de agua para eliminar parte del monxido de carbono. Finalmente se eliminan los gases cidos (SH2, CO2), obtenindose as un gas limpio. La composicin del gas resultante vara mucho en funcin de las condiciones reinantes en el reactor (presin, temperatura, tipo de atmsfera), de las caractersticas del reactor y tambin de las caractersticas del carbn empleado. Los componentes principales del gas resultante son hidrgeno, metano, monxido de carbono, dixido de carbono y vapor de agua. Finalmente, las transformaciones qumicas o bioqumicas a que se someten algunos tipos de biomasa dan lugar a combustibles gaseosos de origen renovable, como el biogs. Este epgrafe tambin ser desarrollado junto con el resto de biomasa a continuacin.

1.8. BiomasaLa biomasa y, por tanto, los productos derivados de ella son de carcter renovable. La energa que puede obtenerse a partir de la biomasa proviene de la energa solar, que gracias al proceso de fotosntesis es aprovechada por las plantas verdes mediante reacciones qumicas en las clulas vivas, para tomar dixido de carbono del aire y transformarlo en sustancias orgnicas.

Tipos de biomasaLa biomasa, atendiendo a su origen, se puede englobar y clasificar en los siguientes tipos. - Natural. Es la que se produce en los bosques. La explotacin de este tipo de biomasa perjudica seriamente al medio ambiente, aunque hoy en da constituye la principal fuente de energa de los pases en va de desarrollo. - Residual. Dentro de este tipo de biomasa cabe destacar las siguientes: - Residuos forestales: procedentes de la limpieza, podas, entresacas, etc., de los montes para su mejora y mantenimiento. - Residuos agrcolas: procedentes de los cultivos leosos (podas de rboles frutales, vid y olivar) y herbceos (paja de cereales y leguminosas, caote y zuro de maz, caote y cabezas de girasol y partes de aprovechables de hortalizas como la remolacha, patata, calabaza, etc.). - Residuos slidos urbanos, procedentes del medio urbano. - Residuos biodegradables: residuos ganaderos, (estircol y purines), de matadero, de industrias agroalimentarias (alcoholeras, azucareras, papeleras, etc.) y lodos de depuradoras de aguas. - Cultivos energticos. Son los dedicados a la produccin de biomasa para fines energticos. Estos cultivos estn basados en producir cantidad y no calidad con el fin de abaratar los costes.


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- Excedentes agrcolas. Se trata de los excedentes agrcolas no empleados para el consumo humano. Estos suelen aprovecharse para la elaboracin de biocombustibles lquidos. El consumo de biomasa en Espaa en el ao 1990 fue de 2,42 Mtep/ao, ocupando el cuarto lugar en la Comunidad Europea, tras Francia, Alemania e Italia. El consumo de biomasa en toda la Comunidad Europea es de unos 22 Mtep/ao, (en torno al 2,5% de la demanda). Cultivos energticos y excedentes agrcolas A partir de los productos derivados de los cultivos energticos y los excedentes agrarios pueden obtenerse combustibles lquidos capaces de sustituir total o parcialmente a los combustibles fsiles convencionales; as es posible emplear el etanol obtenido a partir de materias vegetales. Se pueden distinguir entre dos tipos de cultivos energticos: a) Los destinados a la produccin de plantas que produzcan sustancias susceptibles de ser empleadas, de forma ms o menos directa, como combustibles slidos, lquidos o gaseosos. Aqu se puede destacar los cultivos de colza, soja o girasol. De aqu se obtienen bioaceites que pueden emplearse, sin refinar, en motores diesel de bajo rendimiento. Estos bioaceites reducen considerablemente las emisiones de CO, hidrocarburos y holln. b) Los destinados a la produccin de biomasa rica en hidratos de carbono, empleada para la produccin de bioalcohol. Aqu cabe destacar la caa de azcar, remolacha, maz, cebada y patata, o bien cultivos acuticos como las algas. Residuos biodegradables Se engloban aqu una serie de productos, con alto contenido en humedad, susceptibles de ser transformados mediante el mecanismo de degradacin anaerobia, descomponindose y dando lugar a una fraccin en estado gaseoso. Los residuos que generalmente se asocian a este proceso son: Purines y estircol de ganado, residuos de matadero, residuos de industrias agroalimentarias (alcoholeras, azucareras, papeleras, etc.) y lodos de depuradoras de aguas. Residuos urbanos Se entiende por residuos urbanos los generados por la actividad domstica en los ncleos de poblacin o zonas de influencia. Se pueden distinguir dos tipos de residuos urbanos: los residuos slidos urbanos (R.S.U.) y las aguas residuales urbanas (A.R.U.). Las cantidades de R.S.U. producidas durante los ltimos aos han experimentado y siguen experimentando un constante aumento debido al crecimiento demogrfico y a la generacin de residuos por habitante y da. La eliminacin de estas grandes cantidades de residuos supone un coste econmico elevado (recogida, transporte y eliminacin) y el vertido incontrolado contribuye tanto al deterioro de los suelos, como de las aguas y del propio paisaje. Los procedimientos ms empleados para la eliminacin de los residuos slidos urbanos son los siguientes: a) Vertido controlado. Es el ms empleado en la mayora de los pases, pero presenta unos puntos dbiles que son: impermeabilizacin del terreno para evitar la contaminacin de acuferos por percolados y lixiviados; extraccin controlada del biogs producido en la fermentacin de los residuos enterrados; necesidades de


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grandes superficies de terreno; incremento del gasto de transporte ocasionado por la lejana de los ncleos de poblacin, como consecuencia de los malos olores. b) Compostaje. Consiste en la fermentacin aerobia de determinadas fracciones de la basura, de forma que gran parte del carbono contenido en las mismas se desprende en forma de CO2, dejando un residuo con una mejor relacin C/N y por tanto utilizable como fertilizante. Sin embargo el compostaje sigue siendo una fuente de desagradables olores y requiere normalmente una separacin previa de determinadas fracciones (por ejemplo, plsticos, gomas o materiales metlicos), con el fin de evitar la posible contaminacin de los suelos que determinara su presencia en el fertilizante. c) Reciclado. Consiste en la recuperacin de grandes cantidades de papel, plstico, vidrio y metales, lo que repercute en el ahorro de materias primas y de la energa empleada para la fabricacin de estos materiales. d) Incineracin. En la actualidad, los RSU poseen gran cantidad de componentes combustibles, como papel, cartn y plsticos, aumentando as el poder calorfico inferior de los mismos. Esta incineracin genera energa calorfica, escorias, cenizas y gases. El calor generado es aprovechado para producir vapor, el cual permite generar electricidad mediante ciclos convencionales con turbinas de vapor o de gas. Las escorias y cenizas suponen menos del 10% del volumen total del RSU tratado y se elimina mediante vertido a escombrera o como material de relleno de carreteras. El principal problema de la incineracin est en los humos emitidos, tanto por su composicin como por su cantidad. Para evitar la formacin de muchas de las sustancias txicas, las temperaturas de incineracin deben estar comprendidas entre los 800 y 1100C, requirindose tiempos de residencia de los humos en el hogar suficientemente grandes para garantizar la total destruccin de todos los compuestos orgnicos. Para lograr la combustin completa y evitar la pirlisis de los RSU, se precisan coeficientes de exceso de aire superiores a 2. Por este motivo, el rendimiento de la combustin se reduce y se encarecen las operaciones de tratamiento de los gases de escape (se incrementa el volumen de humos emitidos). La limpieza y tratamiento de los humos precisa comenzar con la depuracin de los gases cidos (HCl y Cl2), adems de los metales pesados y compuestos orgnicos. Se realiza en torres de absorcin compactas, emplendose un reactivo de naturaleza alcalina como la cal, carbonatos o sosa. Posteriormente se eliminan las partculas slidas en suspensin por precipitacin electrosttica para, finalmente, emitir a la atmsfera los gases limpios con ayuda del ventilador de tiro forzado y la chimenea. Los procedimientos descritos anteriormente no son incompatibles entre si; por ello, la solucin ms acertada podra ser una recogida selectiva de ciertos residuos (papel, cartn y vidrio) acompaada de un compostaje de ciertas fracciones y la incineracin con recuperacin de energa del resto. Lo ideal, desde el punto de vista medioambiental, sera que la basura (con mezcla heterognea de diferentes materiales) no llegase a producirse. Esto se podr conseguir de forma parcial, con la recogida selectiva de algunos de los productos que hoy en da conforman los RSU, o evitando su generacin mediante el empleo de envases retornables. En Espaa, la contribucin de los RSU al abastecimiento de energa primaria se encuentra por debajo de la media comunitaria. En pases como Suiza y Japn incineran el 80% de sus basuras.


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Sistemas de aprovechamiento energtico de la biomasaLa utilizacin de la biomasa con fines energticos presenta una serie de ventajas medioambientales. La principal se refiere a una disminucin de las emisiones de CO2. El carbono contenido en esta materia procede del CO2 atmosfrico, que las plantas se han encargado de retener mediante la fotosntesis. La emisin a la atmsfera de ese carbono no supone un incremento del contenido sobre la superficie terrestre, al contario de lo que ocurre con las emisiones de combustibles fsiles, donde se devuelve a la atmsfera una cantidad de carbono que la naturaleza ha tardado miles o millones de aos en retener para favorecer la vida actual en el planeta. Otras ventajas aadidas son las pequeas cantidades emitidas de elementos sulforados o nitrogenados, muy pocas partculas slidas, y la diversificacin energtica, disminuyendo la dependencia de fuentes externas como el petrleo o el carbn. Sin embargo, tiene mayores costes de produccin, acondicionamiento, transporte y almacenamiento, frente a la energa que proviene de los combustibles fsiles, y los equipos de consumo poseen peor rendimiento energtico en comparacin a los que utilizan aquellos convencionales. Esto, unido a la produccin estacional de esta biomasa en la mayora de las ocasiones, hace muy difcil su implantacin. Sin embargo, el potencial energtico existente es enorme, y las polticas energticas van encaminadas a promocionar el aprovechamiento de este tipo de fuente. En este sentido, actualmente las tecnologas aplicadas a este tipo de fuente estn inmersas en una etapa de gran desarrollo. La investigacin se centra en el aumento del rendimiento energtico de los sistemas (calderas, motores, plantas de potencia, etc.), minimizar los efectos negativos ambientales de los residuos aprovechados y de las propias aplicaciones, aumentar la competitividad en el mercado de los productos y posibilitar nuevas aplicaciones de gran inters a travs de transformaciones iniciales, como los biocombustibles. As, la energa til a partir de esta biomasa se puede conseguir de las siguientes formas: - Combustin directa. La combustin directa o incineracin de la biomasa ha sido el mtodo ms empleado por el hombre para generar calor. Consiste en una reaccin exotrmica de oxidacin con aire, a temperaturas prximas a los 1000C, y siempre que el contenido de humedad sea inferior al 40%. El poder calorfico inferior de la biomasa residual puede oscilar entre 7000 y 20000 kJ/kg. - Transformacin mediante procesos qumicos (termoqumicos y bioqumicos): o Gasificacin. Consiste en un complicado proceso de reacciones qumicas que se producen en el interior del lecho y que dan lugar a una combustin incompleta. El gas pobre, as obtenido, contiene CO, H2, N2 y CH4 y con un poder calorfico de 1000 a 1500 Kcal/m3 de gas. Como agente gasificante se puede utilizar dixido de carbono, vapor de agua o combinaciones de ste con aire, oxgeno o hidrgeno. o Pirlisis. Consiste en someter a la biomasa a temperaturas de 500 a 600C en ausencia de oxgeno en cmaras hermticas; as, los constituyentes se transforman en una fraccin slida compuesta por carbono (carbn de coque), una fraccin lquida (cidos aldehdos, cetonas, alcoholes y compuestos fenlicos) y otra gaseosa (monxido y dixido de carbono, metano, etano hidrgeno y vapor de agua). o Fermentacin metnica (generacin de biogs). Es una de las vas por la que la naturaleza descompone la materia orgnica, a travs de procesos


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biodegradativos realizados por asociaciones bacterianas. Como resultado, se obtiene un gas pricipalmente compuesto por metano. Este proceso se aplica a todos aquellas biomasas biodegradables, tanto primarias como secundarias. Los sistemas de este tipo se clasifican principalmente en sistemas con biomasa suspendida y fija. o Fermentacin alcohlica (obtencin de combustibles lquidos de origen vegetal). Este proceso qumico transforma los hidratos de carbono de la biomasa vegetal (con contenido importante en azcares) en alcohol (etanol) por la intervencin de microorganismos como las levaduras que producen enzimas que catalizan la reaccin. En general, considerando globalmente la actividad humana, se estima una produccin anual de biomasa residual de dos toneladas por habitante, con un poder energtico de 9000 kWh/ao, que equivale a unos 800 litros de gasolina. La realidad no puede ser tan optimista, ya que existen dos grandes limitaciones: de un lado el que esta biomasa no est concentrada, lo que hace muy difcil un aprovechamiento rentable; de otro lado que el aprovechamiento de esta masa residual lleva consigo un gran aporte de energa (recoleccin, transporte y transformacin), reduciendo as la energa til obtenida. Actualmente se est implantando el uso de biocarburantes en motores alternativos de combustin interna, que poseen unas caractersticas parecidas a las de los combustibles fsiles lquidos y gaseosos, para su utilizacin en aquellos sistemas sin efectuar modificaciones considerables. Estos biocombustibles proceden de una transformacin de la biomasa inicial, que se presenta normalmente en forma slida. La tabla 1.5 presenta una clasificacin de los principales tipos que actualmente se desarrollan. Materia Prima Azcares (Caa y remolacha) Almidones (Cereales) Lpidos (Aceites vegetales y grasas animales) Residuo Orgnico (RSU, RA,..) Esterificacin con Metanol Fermentacin Anaerobia Biodiesel Metano Proceso de transformacin Fermentacin alcohlica Sacarificacin y Fermentacin alcohlica Biocarburante Bioetanol Bioetanol

Tabla 1.5. Biocarburantes en produccin.

1.9. Almacenamiento, transporte y distribucin de combustiblesCombustibles slidosLa preparacin y transporte de un combustible comprende las etapas necesarias a efectuar en fbrica o en el lugar de utilizacin, para recepcionar el mismo, almacenarlo y situarlo en las condiciones tcnicas de presin, temperatura, humedad, viscosidad, etc., requeridas por el quemador con el fin de conseguir una


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ptima combustin. Dentro de los combustibles slidos, se har referencia al carbn por ser este el ms empleado. ste llega a las instalaciones consumidoras por barco, ferrocarril o camin, y en cantidades suficientes como para garantizar el funcionamiento normal de la instalacin. En grandes instalaciones, el carbn se almacena en el exterior sometido a los agentes atmosfricos. Presentan algunos problemas en su almacenamiento, como son: disminucin del poder calorfico, desmenuzamiento y riesgo de combustin espontnea (por aumento de temperatura por oxidacin y accin bacteriana) y prdidas por erosin del viento y agua. Este almacenamiento puede llevarse a cabo en pequeas o grandes cantidades, no sin tomar las precauciones oportunas para evitar su deterioro. Para transportar el combustible hasta el hogar, existen diversas formas de transporte en el interior de la planta, como son transporte por cintas, cangilones, tornillos sin-fin, por tubera, neumtico (carbn pulverizado). Finalmente, junto al hogar, se almacenan pequeas cantidades de combustible en silos (construidos de hormign armado o acero revestido interiormente con hormign, acero inoxidable, etc., para evitar corrosiones), los cuales tienen una doble misin: por un lado almacenar el combustible y por otro realizar un suministro continuo de combustible al hogar. En plantas automatizadas, la capacidad de los silos debe garantizar un funcionamiento continuo de la instalacin de 3 das. Deben estar alejados de los focos de calor (para evitar explosiones) y deben colocarse de forma que el flujo de combustible sea lo ms vertical posible.

Combustibles lquidosLos combustibles lquidos se almacenan en depsitos de capacidad y localizacin adecuadas. Desde los camiones cisterna se traen y descargan estos combustibles, por lo que tambin habr que considerar el proceso de carga. Para el abastecimiento de grandes consumidores se deben calentar las cisternas, pues las condiciones de suministro pueden hacer difcil la evacuacin del combustible. As, necesitan de una red de vapor y otra de retirada de condensados. Los tanques de almacenamiento se disearn y construirn conforme a diferentes normas UNE. Se pueden construir de chapa de acero, polietileno de alta densidad, plstico reforzado con fibra de vidrio u otros materiales, siempre que se garantice la estanqueidad. Pueden ser de simple o doble pared, incluso compartimentados para contener diversos productos. Se instalan de una de las siguientes formas: sobre la superficie del terreno, semienterrados, o bajo el nivel del terreno, ya sea en fosa o enterrados. La instalacin receptora consiste tpicamente en una red que, partiendo del depsito principal, lleva el combustible mediante un equipo de trasiego, pasar por un contador de consumo, para derivar a cada instalacin receptora (sea una o varias con un depsito comn, residencial, comercial o industrial). Hay que llevar el combustible en perfectas condiciones de presin y viscosidad, limpio de impurezas que puedan perjudicar una atomizacin regular. Para el suministro a motores trmicos, estas instalaciones constan de un almacenamiento del combustible, un equipo de suministro y opcionalmente un sistema de control del conjunto. El suministro al motor se puede realizar por gravedad, por bomba manual o por bomba elctrica con recirculacin automtica.


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Combustibles gaseososPara los gases de la primera familia (gas ciudad), stos se producen de manera continua, almacenndose en la propia fbrica, para llevar a cabo su distribucin ms tarde. Se realiza en gasmetros, que regulan el consumo automticamente (vase la figura 1.1). El gas puede pasar directamente desde el gasmetro a alimentar la red de baja presin, o pasar a un compresor ms enfriador para alimentar la red de alta presin.

Figura 1.1. Instalaciones de almacenamiento para gases de la primera familia Respecto al gas natural, representativo de la segunda familia de gases, se almacena en fase lquida a baja temperatura (-160C) y una ligera sobrepresin. Los grandes tanques de almacenamiento de GNL, se construyen a base de hormign pretensado y acero, con doble tanque. El tanque interior tiene la misin de contener al GNL, y el segundo debe contener la masa de asilamiento del tanque interior, y evitar la entrada de humedad. Desde estos tanques se realiza la distribucin regasificando el gas y alimentando directamente la red de distribucin, o llegar a sta mediante un gasoducto. Los gases de la tercera familia (GLP), se encuentran en fase gaseosa normalmente, y para ser almacenados se incrementa la presin un poco o se enfran. El almacenamiento en fase lquida se puede realizar, por un lado, mediante recipientes cilndricos de acero (bombonas), con cargas tiles de 12,5 kg de butano comercial de uso prcticamente exclusivo para el mercado domstico; 11 kg de propano comercial empleado para uso domstico (bsicamente calefaccin) y en el mercado industrial de pequeo consumo; 35 kg de propano comercial de uso en el mercado domstico (para grandes consumos) y en el industrial de consumo medio. Por otro lado, tambin se almacenan mediante tanques fijos que se recargan peridicamente por camiones cisternas con propano comercial. Se emplean en el mercado domstico (chals individuales), para mercado industrial y para servicio a surtidores de gas combustible para automocin (en este caso se emplean mezclas de butano y propano comerciales). Las redes de distribucin de gas permiten dar un suministro continuo al usuario. La distribucin y transporte desde los yacimientos hasta los lugares de consumo se realiza de dos formas, o bien por canalizaciones de gas, o mediante transporte y almacenamiento en estado lquido. En el primer caso, la conexin entre las distintas


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formas de distribucin (a diferentes presiones) se hace por medio de las denominadas estaciones de regulacin y medida (ERM), que tienen por misin regular la presin de salida. La distribucin del gas por tuberas se realiza a diferentes presiones manomtricas: - Alta presin B. Son los denominados gasoductos, grandes redes de transporte, con presiones superiores a 16 bar. - Alta Presin A. Utilizan presiones de distribucin entre 16 y 4 bar. - Media Presin B. Emplean presiones entre 0,4 y 4 bar. - Media Presin A. Utilizan presiones menores de 0,4 bar y superiores a 0,05 bar. - Baja Presin. Como suministro para consumos domsticos y comerciales. La presin de suministro es inferior a 0,05 bar. Si el transporte del gas es en estado lquido (por ejemplo GNL), para poder realizarse ser necesaria la siguiente infraestructura: * Planta de tratamiento y licuacin del gas. * Transporte del gas licuado en buques metaneros. * Terminal de recepcin, almacenamiento y regasificacin; si bien la regasificacin puede evitarse, transportando el gas mediante camiones cisterna criognicos hasta el lugar de consumo. Los buques metaneros (barcos dotados de depsitos capaces de soportar el gas natural licuado y que emplean como combustible el gas que se va evaporando durante la navegacin) disponen de su propio sistema de bombas criognicas, que unidas a los brazos de descarga existentes en el muelle, conducen el GNL hasta los tanques de almacenamiento. Con el fin de mantener la presin adecuada, se conecta un brazo secundario de retorno de vapor. Actualmente, el sistema gasista para GN comprende una red bsica, lneas de transporte secundarias, redes de distribucin e instalaciones complementarias. La red bsica indicada comprende gasoductos, plantas de regasificacin, almacenamientos estratgicos, conexiones con yacimientos y con otras redes internacionales. La distribucin de los gases licuados del petrleo (butano, propano) se realiza mediante los recipientes cilndricos o tanques fijos indicados, o mediante redes de distribucin, que partiendo de un tanque fijo llega hasta los usuarios. Las redes, segn su forma, se clasifican en ramificadas, cuyos tramos no se conectan entre s, y las malladas, que s lo hacen. Estas ltimas son ms costosas, sin embargo, el servicio no se interrumpe en caso de avera en una zona, pues el gas se suministra por la parte que no est afectada del corte. Por otro lado, y segn su ubicacin, se pueden clasificar tambin en redes urbanas, semiurbanas (zonas con pocas edificaciones) y no urbanas (campos).


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Tema 1 Combustibles ales (Virtual)

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