Tema 1 Combustibles ales (Virtual)

POP Enerxía e Sustentabilidade

ÍNDICE

Combustión de combustibles sólidos, líquidos y gaseosos

1.1. Introducción

1.2. Clasificación de los combustibles

1.3. Características de los combustibles

1.4. Otras propiedades de los combustibles

1.5. Combustibles sólidos

1.6. Combustibles líquidos

1.7. Combustibles gaseosos

1.8. Biomasa

1.9. Almacenamiento, transporte y distribución de combustibles

Tecnoloxía Térmica: Combustibles Industriais 1/25


COMBUSTIÓN DE COMBUSTIBLES SÓLIDOS, LÍQUIDOS Y GASEOSOS

1.1. Introducción

El consumo de energía primaria mundial se cubre mayoritariamente con combustibles fósiles, los cuales representaron un 87,7% en el año 2006, como se puede observar en la tabla 1.1. En dicha tabla se indican los valores de consumo mundiales por distintos tipos de energía primaria, la cual comprende sólo 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 países, pero de los cuales no se disponen datos de consumo estadísticos. También se han excluido las energías renovables (eólica, geotérmica y solar, así como los biocombustibles). Por tanto, esto implica que casi el 90% de las necesidades mundiales de producción de energía se cubren a partir de transformaciones energéticas basadas en los combustibles fósiles.

Petróleo Gas

Natural Carbón

Energía Nuclear

Energía Hidroeléctrica

Total

3.836,8 2.474,7 2.929,8 627,2 668,7 10.537,1

36,4% 23,5% 27,8% 6,0% 6,3% 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 transformación (generalmente por combustión) de la energía química de los combustibles en calor y posteriormente en trabajo (generalmente a partir de ciclos termodinámicos) son procesos fundamentales para entender las necesidades energéticas del mundo actual.

Los combustibles fósiles se originan por la fosilización de compuestos de carbono. Estos compuestos, de formula química Cx(H2O)y, fueron producidos por plantas vivas en el proceso de la fotosíntesis, convirtiendo así la energía solar en energía química:

CO2 + H2O + luz solar -> Cx(H2O)y + O2

La mayor parte de los combustibles fósiles se originaron durante el periodo carbonífero de la era paleozoica, hace unos 325 millones de años. Por efecto de las altas presiones y el calor, en ausencia de oxígeno, se transformaron en compuestos de hidrógeno y carbono, con formula química general CxHy, aunque en algunos casos existen fracciones significativas de otros elementos, principalmente O, N, S, además de agua y materia mineral incombustible en el caso del carbón. Según el proceso de transformación, el combustible fósil generado puede encontrarse en estado sólido (carbón), líquido (petróleo) o gas (gas natural).



Antes de describir las propiedades generales que caracterizan a los combustibles fósiles para su uso energético, se repasará el concepto de combustible y la clasificación de estos.

Se denomina combustible, a cualquier sustancia que reacciona químicamente con un agente oxidante para obtener fundamentalmente energía en forma de calor. Esta definición no incluye a los combustibles nucleares cuyo fundamento para la obtención de calor obedece a otras causas.

Según sea el estado físico de esas sustancias, los combustibles se clasifican en sólidos, líquidos y gaseosos. Por su origen, se clasifican en naturales y artificiales. En apartados posteriores se detallarán más pormenorizadamente los diferentes combustibles (no nucleares).

En el caso del carbón, existen numerosos sistemas de clasificación según diferentes tipos de propiedades químicas y físicas todavía sin definir. Por ello, una de las clasificaciones más utilizadas a nivel industrial se puede encontrar en la norma ASTM D388-92a.

Los combustibles contienen energía en forma acumulada, y esta energía se libera durante la reacción química (denominada combustión) con el agente oxidante, manifestándose como energía térmica. La energía térmica también se libera durante las reacciones nucleares, cuando el núcleo de un elemento pesado como el uranio o el plutonio es bombardeado en un reactor nuclear por neutrones generalmente lentos. La fisión del núcleo a fragmentos más pequeños está acompañada por un defecto de masa que se manifiesta como energía térmica. Al material que contiene el elemento pesado a menudo se le conoce como el combustible nuclear, aunque no ocurra reacción química alguna en el proceso.

1.2. Clasificación de los combustibles

Son aquellos que arden fácilmente con desprendimiento de calor. Se pueden clasificar en dos grandes grupos:

- Por su origen: Naturales y artificiales

- Por su estado: Sólidos, líquidos y gaseosos

También se estudiará la biomasa, junto con los distintos residuos que genera, pero será 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:

- Sólidos: madera, turba, lignito, hulla y antracita, otra biomasa.

- Líquidos: petróleos

- Gases: Gas natural

Los combustibles industriales artificiales se obtienen a partir de los naturales por diversos tratamientos. A continuación se realiza una clasificación de los combustibles industriales artificiales más empleados.

- Sólidos: Carbón de madera y coque de hulla

- Líquidos: Fuel-oil, gasóleo, Gasolina y aceite de alquitrán



- Gases: Gas de coquería, gas de gasógeno, gas ciudad, gas de horno alto, gases licuados del petróleo (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 energía. Aquí influyen varios factores como son el poder calorífico, humedad, contenido en cenizas y coste del transporte.

Los combustibles líquidos y gaseosos son los más apropiados, ya que permiten una combustión total y además dejan menos residuos. En el caso de los combustibles sólidos, el contenido en cenizas es tan alto que no resulta rentable su transporte, por lo que sólo se utilizan cerca o en los propios yacimientos.

1.3. Características de los combustibles

Los combustibles, con independencia de su origen, poseen una serie de características y propiedades que determinan su comportamiento. Estas características se determinan a partir de dos tipos de análisis: inmediato y elemental. El primero de ellos determina características como humedad, volátiles, carbono fijo y cenizas. El segundo corresponde a un análisis químico que determina los elementos que componen el combustible.

Así, los combustibles industriales contienen elementos combustibles: carbono, hidrógeno y azufre; y materias no combustibles (agua, silicatos, caliza, yesos y nitrógeno, principalmente). Los elementos combustibles se queman; los no combustibles se funden o pulverizan quedando después de la combustión una parte como cenizas y escorias en el lugar donde se verificó la combustión, y otra parte acompañando a los humos en forma de cenizas volantes. En particular, el agua existente y la formada en la combustión, se evaporan y acompañan a los demás gases productos de combustión, constituyendo lo que se denomina como humos, que consisten, principalmente, en vapor de agua, monóxido de carbono, anhídrido carbónico y óxidos de azufre y de nitrógeno, que arrastran las cenizas más finamente pulverizadas.

Análisis inmediato

En este análisis se analizan características de los combustibles relacionadas con las ventajas e inconvenientes que pueden aparecer en su combustión. En este análisis se determina la humedad total, wt, el contenido en combustibles volátiles, V, que es la masa de materiales combustibles que se gasifica en el calentamiento previo a la combustión (principalmente monóxido de carbono), el carbono fijo, CF, que es la masa de materiales combustibles que queda en forma sólida hasta la combustión, y las cenizas, a; cumpliéndose 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 determinación para que este análisis sea repetitivo y tenga un valor industrial. En España existen las siguientes normas relativas a estos procedimientos, en concreto para combustibles minerales sólidos:

- Norma UNE 32-002. Determinación de la humedad.

- Norma UNE 32-019. Determinación del contenido en materias volátiles.



- Norma UNE 32-004. Determinación de cenizas.

- Humedad: Se define la humedad como la cantidad de agua, expresada en % en peso, que contiene un combustible. Es una característica muy importante en combustibles, sobre todo en los sólidos. 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 100ºC.

No tiene valor como combustible. Al evaporarla se produce una pérdida de calor que se escapa con los productos de la combustión. Esta vendrá dada por la suma del agua evaporada a temperatura ambiente (humedad libre o superficial), más la eliminada en la estufa (humedad higroscópica o en los poros). Así pues, si se considera una masa de m Kg, que después de secada totalmente pesa m1 Kg, se tiene una humedad (wt)

mmmwt

1−=

- Materias volátiles: Las materias volátiles están formadas por combinaciones de carbono, hidrógeno y otros gases. Los combustibles ricos en volátiles tienen mayor velocidad de combustión que los pobres, ya que el rápido desprendimiento de los volátiles provoca una disminución de masa y además se forman alquitranes y gases que arden rápidamente.

El contenido en volátiles (I.M.V.) se obtiene calentando una muestra seca (m1) en ausencia de oxígeno, en un horno de mufla, durante 7 minutos y a una temperatura de 925ºC. La pérdida de peso experimentada por el combustible determina el contenido de materias volátiles, quedando un residuo sólido (m2) que recibe el nombre de coque.

mmmV 21 −=

- 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 vendrá determinado por la diferencia entre el peso inicial (m) y la suma del de la humedad (m1), volátiles (m2) y cenizas (m3). También se puede obtener de la siguiente expresión:

mmm

CF 32 −=

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



Análisis elemental

El análisis químico del combustible, sobre todo si es sólido, es necesario para poder efectuar los cálculos referentes a la combustión y da los resultados en porcentajes en peso, de los constituyentes de mismo.

El procedimiento para la realización del análisis elemental está normalizado, debiéndose poner especial atención a la trituración previa de la muestra, para asegurar la representatividad de la muestra analizada. Así pues, en el análisis elemental se determinará además de la humedad y cenizas, el contenido en peso de cada elemento químico que entra en la composición, como:

- Carbono total (ISO 625-1975): El carbono procede de la sustancia orgánica y de los carbonatos minerales. Será la suma del carbono fijo y del contenido en las materias volátiles.

- Hidrógeno (ISO 625-1975): El hidrógeno está presente en la sustancia orgánica en forma de humedad y agua de hidratación o de constitución de los silicatos de la materia mineral. Puede existir como constituyente de las materias volátiles y de la humedad inherente. El análisis químico descompone el agua no evaporada en hidrógeno y oxígeno.

- Azufre (UNE 32-008 y 32-009): La mayoría de los combustibles contienen algo de azufre, el cual únicamente puede determinarse por análisis químico. El azufre está presente en tres formas: como pirita o marcasita, como compuestos sulfurados orgánicos o como sulfatos inorgánicos. El azufre no tiene su plena potencia calorífica si no se encuentra en estado libre. En porcentajes elevados podrá formar escorias muy perjudiciales. Durante la combustión, el azufre como impureza forma óxidos, que corroen piezas de hornos y calderas, siendo además sus emisiones a la atmósfera muy contaminantes.

- Nitrógeno (UNE 32-013): El nitrógeno se encuentra en todos los carbones, ligado a combinaciones orgánicas, en pequeños porcentajes. Al ser inerte, al igual que las cenizas, este elemento no produce ningún efecto perjudicial, a excepción de que hay que manipular su peso en el tonelaje del combustible comprado y que disminuye la cantidad de energía disponible por unidad de masa de combustible.

- Oxígeno: Todo el oxígeno contenido en el carbón se supone que se halla combinado con hidrógeno en forma de agua; como consecuencia la descomposición del vapor de agua da el contenido de oxígeno. El contenido en oxígeno se estima por diferencia a 100 de la suma de carbono, hidrógeno, nitrógeno, azufre total y cenizas corregidas exentas de azufre. El oxígeno rebaja la potencia calorífica del combustible, aunque contribuye a las necesidades del aire de combustión.

La humedad, cenizas, azufre, oxígeno y nitrógeno son impurezas del combustible, que se radicalizan especialmente en combustibles sólidos, y tienen una gran influencia en algunos fines determinados. Este análisis se puede dar para materia seca, húmeda o sin cenizas.

- Humedad: El agua está presente siempre en el carbón, así, puede constituir un contenido superficial adquirido en el lavado, transporte y almacenamiento, o puede permanecer ocluida en los poros o combinada químicamente. La humedad contenida en un combustible sólido como el carbón, puede considerarse integrada por dos tipos diferentes



* Primera fracción de humedad o humedad libre o humedad superficial. Es el agua superficial retenida por las fuerzas de tensión superficial que empapa la masa del combustible, desaparece mediante secado al aire a la temperatura ambiente (≤45ºC), en un local seco y ventilado.

* Segunda fracción de humedad o humedad higroscópica 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 sólido-cristalina del combustible, que no se evapora mediante secado al aire ambiente, siendo necesaria una temperatura superior (>105ºC) para eliminarla.

- Cenizas: Dentro de las cenizas, se agrupan todos los demás materiales no combustibles, distintos del agua.

Expresión de los resultados de un análisis en distintas bases

La mayoría de las determinaciones de un análisis se realizan en el laboratorio secando la muestra hasta su equilibrio con la atmósfera del laboratorio. En estas condiciones los resultados se dan en base seca (referida a aire seco).

En ciertos casos según donde se tomen las muestras para el análisis puede resultar más conveniente y significativo expresar los resultados en fracciones másicas (y) corrigiendo a otras bases, es decir, los tipos de análisis pueden ser:

• Referido a como se quema, (y), o sea en la situación en que se toma el combustible del parque o los depósitos 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 después de retirar toda la humedad y las cenizas.

Así se determinan, además de c, h, s, n y o, las cenizas (a) y la humedad libre (w).

Luego, en el análisis de un combustible se cumple (en tanto por uno en peso o fracción másica):

c + h + s + n + o + a + w = 1

El análisis de combustible seco, es decir, sin humedad, w, resultará:

c' + h' + s' + n' + o' + a' = 1

y el análisis de material combustible, es decir, sin humedad y si cenizas, dará el resultado:

c" + h" + s" + n'' + o'' = 1

Las relaciones entre las fracciones másicas (y = c, h, s, n, o, a, w) calculadas con las distintas bases pueden obtenerse como sigue:



w1y−

=′y a1

y−

=ay aw1

y´´−−

=y

1.4. Otras propiedades de los combustibles

A continuación se va a tratar el estudio de algunas de las propiedades de los combustibles, debiendo destacarse que según el tipo de combustible unas u otras tendrán mayor importancia.

Poder calorífico

La calidad de un combustible viene dada por la cantidad de calor que desprende en la combustión, calculada para la unidad de masa (kJ/kg ó kcal/kg) (caso de los combustibles sólidos y líquidos) o de volumen (kJ/m3 ó kcal/m3) (combustibles gaseosos). No todo el calor producido durante la combustión de un combustible, es íntegramente aprovechado, ya que los combustibles sólidos poseen siempre humedad y los líquidos y gaseosos, aún en el caso de no tenerla, producen agua durante la combustión, que hay que vaporizarla. Por tanto, se distinguirán dos tipos de poderes caloríficos: superior e inferior.

Se define el Poder Calorífico 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 condensación del vapor de agua contenido en los productos de la combustión.

Por otro lado, el Poder Calorífico Inferior (P.C.I.) de un combustible es el calor desprendido por kilogramo de combustible, descontando la energía calorífica absorbida por la vaporización del agua contenida en los productos de la combustión. La diferencia entre ambos es el calor latente de vaporización del agua resultante de la combustión del combustible.

El poder calorífico se mide con instrumentos llamados calorímetros que son recipientes en los que se realiza la combustión y están dispuestos de forma que se pueda medir la elevación de temperaturas de masas cuya capacidad calorífica es conocida. Para sólidos y líquidos se utiliza el calorímetro de Emerson o la bomba Malher y para gases se utiliza el calorímetro Junkers.

También la potencia calorífica 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. Cálculos relativos a la combustión

Dada la existencia de diferentes formulas empíricas que conducen a definiciones y valores del poder calorífico no coincidentes, la Norma UNE 9205:87 establece las definiciones fundamentales a adoptar por los técnicos, con el fin de unificar criterios sobre los términos y/o conceptos aplicables en los cálculos relativos a la combustión de los productos combustibles.

Esta norma se aplicara a la combustión de cualquier combustible industrial sólido, líquido o gaseoso, compuesto por carbono (c), hidrogeno (h), oxígeno (o), nitrógeno (n), azufre (s) y cenizas (a), cuya composición, en tanto por uno en peso, se representa por los símbolos en minúsculas. Esta norma presupone la combustión



completa del combustible con un volumen de oxígeno en el aire de combustión superior al estequiométrico.

Así, en dicha norma, el poder calorífico de un combustible queda definido por el número de unidades de calor liberadas por la unidad de masa o de volumen del combustible, quemada en un calorímetro en condiciones previamente establecidas. Es decir:

- El poder calorífico de un combustible sólido o líquido es su capacidad de combustión referido a la unidad de masa, que en la práctica industrial suele ser el kilogramo; se expresa en kJ/kg.

- El poder calorífico 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 calorífico que se utilizan normalmente son los siguientes:

- Poder calorífico superior (P.C.S.): Es la cantidad total de calor de un combustible, incluyendo el calor latente del agua formada por la combustión del hidrógeno contenido en dicho combustible seco.

- Poder calorífico inferior (P.C.I.): Es la cantidad de calor que resulta al restar del poder calorífico superior el calor latente del agua formada por la combustión del hidrógeno contenido en el combustible seco.

- Poder calorífico según 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 combustión.

- Poder calorífico útil (P.C.U.): Es la cantidad de calor que resulta al restar del PCI el calor necesario para evaporar, en la combustión, la humedad del combustible según se quema.

Como la humedad de un combustible es variable según las condiciones en que llega al hogar, se tomarán como valores característicos de un combustible su PCS y PCI referidos a base seca, es decir, exentos de humedad, y serán variables los valores de PCQ y PCU en función de la humedad del combustible según se quema.

Cálculo del poder calorífico según análisis químico

En el caso de combustibles líquidos o sólidos en base seca, una vez conocida su composición química, y al ser verdaderamente combustibles sólo los elementos carbono, hidrógeno y azufre, su poder calorífico superior se puede obtener aplicando la fórmula siguiente:

kgkcalshcPCS /·2500·34160·8000 ++=

Y si al valor así obtenido, se resta el calor latente del agua formada por la combustión del hidrógeno, se obtendrá el poder calorífico inferior de dicho combustible. Teniendo en cuenta que 1 kg de hidrógeno proporciona 9 kg de agua, y tomando como calor latente de condensación del vapor de agua 600 kcal/kg, resulta:

kgkcalhPCShxPCSPCI /·5400)·6009( −=−=



Si el combustible según se quema tiene un tanto por uno de humedad (w), la cantidad de combustible real será (1-w) en kg/kg de producto combustible, y sus valores PCQ y PCU vendrán 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 práctica industrial, suelen ser mezclas (con componentes tales como H2, CO, CH4, C2H6, CmHn, C02, N2 y 02), y los poderes caloríficos están relacionados directamente con los correspondientes a cada componente y con su proporción en la mezcla. Así, el poder calorífico superior será igual a la suma de los poderes caloríficos 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 seguirá este mismo procedimiento, pero utilizando en esta ocasión los poderes caloríficos inferiores de cada uno de sus gases combustibles componentes.

Fórmula de Goutal

A partir del análisis inmediato, es posible calcular el poder calorífico por fórmulas aproximadas, como la fórmula de Goutal, no debiendo aplicarse nunca para un balance térmico.

Pcs = 4,1868 (82·CF + α·V) kJ/kg de combustible

siendo: CF = contenido en carbono fijo en tanto por ciento en peso; α = poder calorífico superior de los volátiles en kcal/kg, dividido por 100; y V = contenido de volátiles en tanto por ciento en peso.

Goutal tabula α en función del contenido de volátiles en tanto por ciento del combustible puro V'' (combustible supuesto sin cenizas ni humedad total), es decir, V'' = 100 V/( V+CF ).

V'' 5 10 15 20 25 30 35 40 55

α 150 130 117 109 103 96 89 80 70

Tabla 1.2 Valores del coeficiente " α " en la fórmula de Goutal.

Densidad

La densidad absoluta (ρ) de un cuerpo determinado se define por la relación entre la masa (m) de un cierto volumen (V) de ese cuerpo y dicho volumen, a una temperatura dada.

La densidad relativa (ρr) es la relación entre las masas de volúmenes iguales de dos cuerpos, y es adimensional. Para los sólidos y líquidos se toma como elemento de referencia el agua en condiciones normales de 1 bar y 15 ºC. En el caso de los gases, el elemento de referencia es el aire tomado a 1 bar de presión y 0 ºC.

Salvo que se especifique lo contrario, cuando se habla de la densidad de un combustible líquido deberá entenderse que se refiere a la que presenta el producto



a 15ºC y a la presión atmosférica (760 mm Hg). La densidad es función de la temperatura y presión del líquido. No obstante, en los líquidos, debido a su reducido coeficiente de compresibilidad, los efectos de la presión pueden despreciarse en la práctica. No ocurre así con la temperatura, debiendo expresarse el valor de este parámetro al indicarse la densidad del líquido. Así, para productos petrolíferos líquidos se corrige el valor de la densidad dt observada en un densímetro a la temperatura tºC, mediante la expresión:

)15(15 −+= tkdd t

en la que k es un factor de corrección.

Viscosidad

La viscosidad es la medida física de la resistencia que opone un líquido 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 característica, propia de combustibles líquidos, es variable con la temperatura, y constituye su propiedad más importante, ya que condiciona los sistemas de almacenamiento, transporte y combustión.

Existen dos tipos: viscosidad dinámica o absoluta (µ), con dimensiones Kg /(m s), y viscosidad cinemática (v) que posee dimensiones de m2/s, obtenida al dividir la viscosidad dinámica entre la densidad del combustible. Las equivalencias existentes son las siguientes:

1 Pa·s = 1 N·s/m2 = 10 poises = 103 cp

1 m2/s = 104 Stokes = 106 cSt

Además 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 20ºC. Según el volumen del recipiente, aparecen los siguientes indicadores:

- Índice de Engler (ºE), para un recipiente de 200 cm3.

- Índice de Saybolt (Segundos Saybolt Universal, s.s.u.), para un recipiente de 60 cm3.

- Índice de Redwood (R’’), donde se utiliza un recipiente de 50 cm3.

Límites de inflamabilidad

Para que se produzca la combustión es necesario que exista un combustible y un comburente, debiendo estar las proporciones relativas de ambos próximas a las correspondientes a la combustión estequiométrica.

La inflamabilidad depende de la velocidad de propagación de la llama, la cual está relacionada con las condiciones de propagación del calor a través de la mezcla, que es mayor cuando aumenta la temperatura de la llama. La combustión solo podrá producirse cuando el porcentaje de combustible, en la mezcla aire-combustible, se encuentre entre los límites superior e inferior de inflamabilidad, ya que si estamos por debajo del límite inferior no existirá suficiente combustible, y si nos encontramos por encima del límite superior no habrá suficiente aire.



Los límites de inflamabilidad son diferentes para cada sustancia, y aún para ésta varían con la presión y temperatura, además de con otros factores.

Temperatura de inflamación y de ignición

Los combustibles no inician la combustión en el aire por debajo de determinada temperatura, distinta para cada combustible, denominada temperatura de inflamación, 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 combustión.

La combustión sólo será posible si el combustible alcanza la temperatura de ignición (superior a la de inflamación), que es aquella en que se genera más calor por combustión que el que se pierde al ambiente, resultando así el proceso de combustión autosuficiente.

La temperatura de ignición se emplea para determinar la temperatura máxima que debe alcanzar el combustible en su almacenamiento y trasiego, así como la temperatura mínima a que deben mantenerse todos los puntos de la cámara de combustión.

1.5. Combustibles sólidos

Combustibles sólidos naturales

Biomasa

Es el conjunto de materia orgánica renovable de origen vegetal, animal o procedente de la transformación 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 dedicará un epígrafe exclusivo.

Por su papel predominante en la historia de la humanidad, el combustible sólido por excelencia se encuentra entre esta biomasa, y es la madera. Esta puede presentarse en forma natural o bien en forma fósil (carbón). El poder calorífico de la madera depende de la proporción de lignina y celulosa, siendo la lignina quien mayor poder calorífico aporta (del orden de 25000 kJ/kg), mientras que la celulosa posee un poder calorífico superior de 1600 kJ/kg. Su uso está restringido a las grandes plantas de manipulación maderera.

El carbón

Es una mezcla de carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, azufre, agua y cenizas, que inicialmente existía en forma de material vegetal y quedó enterrado en el lecho de pantanos y lagos. Debido a la acción combinada del tiempo, presión y temperatura, los vegetales se transformaron en carbón. 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 comparación de los carbones se hace basándose en su materia combustible, debido a que su contenido de cenizas y humedad varía considerablemente. Debido a la naturaleza del carbón no se puede hacer una clasificación totalmente satisfactoria y generalmente se emplean las siguientes subdivisiones:



- Antracita: Carbón muy duro que posee un color negro brillante. No se coquifica. Posee un elevado porcentaje de carbono y menos del 8% de materias volátiles. Es difícil hacerlo arder, necesitándose temperaturas muy altas y un tiro intenso. Arde sin llama o con llamas muy cortas y azuladas. Es indicado cuando se necesita una combustión sin humos. Su poder calorífico es de 35.000 kJ/kg.

- Carbón semi-bituminoso: Es el carbón bituminoso de más calidad y arde con muy poco humo. Es más blando que la antracita, conteniendo entre 14 y 22% de materias volátiles. Un inconveniente es que tiende a romperse en trozos pequeños durante su transporte y almacenamiento, aunque esto es muy poco problemático, en la producción de vapor, mientras el tamaño sea uniforme.

- Carbones bituminosos: Son blandos y poseen un elevado porcentaje de materias volátiles, 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 leñosa de los lignitos. Estos carbones se desintegran al exponerse al aire y requieren mucha vigilancia mientras están almacenados. Su porcentaje de materias volátiles está comprendido entre 15 y 35% y su contenido de humedad oscila entre el 17 y 20%.

- Lignitos: Son el estado de transición entre la turba y el carbón sub-bituminoso. Tienen aspecto de madera y, frecuentemente, de arcilla. Su poder calorífico 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 fácilmente exponiéndolos al aire, lo cual puede provocar una rápida desintegración de este combustible. Sólo son interesantes para consumirlos en instalaciones situadas en boca de mina.

- Turba: es el más moderno de todos los carbones, por lo que posee una humedad muy alta (supera el 75%), constituyendo una sustancia esponjosa. Su poder calorífico inferior es bajo (15.000 kJ/kg), no siendo un buen combustible.

En definitiva, conforme más arriba se encuentre clasificado un carbón, posee normalmente más cantidad de carbono, y menos cantidad de productos volátiles y oxígeno. Dado que los porcentajes de los distintos constituyentes varían considerablemente, es asimismo muy variable la cantidad de calor que pueden producir por unidad de peso. Debido a que el carbón en su estado natural no es ni una sustancia pura ni tiene composición uniforme, no es posible atribuirle una fórmula química definida; por tanto, si se necesita conocer su composición hay que analizarlo químicamente.

Combustibles sólidos artificiales

- Carbón de madera: La destilación seca de la madera o carbonización industrial se realiza en unas cámaras cerradas, sin aporte de aire, obteniéndose unos residuos sólidos (carbón vegetal), líquidos (ácido acético, acetona, metanol, agua, alquitrán, etc.) y gaseosos. El carbón de madera resultante puede considerarse exento de azufre, conteniendo un 1% de cenizas y, secado al aire, un 6-7% de humedad. El carbón de madera puro, es decir, sin considerar las cenizas y la humedad, está



formado únicamente por carbono, hidrógeno y oxígeno, dependiendo los porcentajes de los mismos de la temperatura a la que se ha realizado la carbonización. El poder calorífico está comprendido entre 31.400 y 37.000 kJ/kg.

- Coque de hulla: El coque de hulla o simplemente coque es el combustible sólido industrial de mayor importancia. Se obtiene por destilación de la hulla a temperaturas superiores a los 1.000ºC. Su poder calorífico es del orden de 31.500 kJ/kg. El coque tiene un color grisáceo y cierto brillo metálico, contiene menos azufre que la hulla, no se aglomera ni pulveriza y no produce gases desagradables ni da humos al arder.

1.6. Combustibles líquidos

Proceden en un 99% de la destilación fraccionada del petróleo y consisten en una mezcla de diversos hidrocarburos (véase tabla 1.3). Sus ventajas principales son la gran cantidad de energía por unidad de volumen y su fácil y seguro manejo, almacenamiento y transporte. Durante el proceso de mezcla con el aire, los combustibles líquidos deben vaporizarse o atomizarse.

Producto Intervalo de temperatura de ebullición

Longitud de la

cadena Aplicaciones

Gas de refinería

<20°C C1 - C2 Combustible para la refinería,

calefacción doméstica e industrial

GLP <20°C C3- C4 Combustible para la refinería,

calefacción doméstica e industrial

Gasolina directa

40–150°C C5 - C9 Combustible para automóviles

Fracciones ligeras

Nafta pesada

150-200°C C10 - C12 Materia prima para productos

químicos, disolvente

Queroseno 170-250ºC C13 - C17 Lámparas de alumbrado,

combustible para turborreactores Fracciones medias

Gasoil 250-320 °C C17 - C20 Combustible para motores diesel

Fuel oil ligero

340-400 °C C20 - C35 Combustible para buques,

locomotoras, etc.

Fuel oil pesado

400–500ºC C20 - C35 Materia prima para lubricantes,

ceras y parafinas, cremas, aceites Fracciones Pesadas

Asfaltos >500 °C > C35 Pavimentación, impermeabilización,

abrasivos, electrodos

Tabla 1.3. Fracciones obtenidas en la refinería por orden de volatilidad y longitud de las cadenas (Vian et al., 1994).

En la tabla 1.4 se indican las características de diversos combustibles líquidos. El Fuel I es un derivado del petróleo que tiene un 3,5 % de azufre. Existe otro tipo de



fuel, el Fuel II, que se obtiene al final del proceso de destilación, y contiene mayor proporción de azufre (3,6%) e impurezas. El Fuel BIA tiene un 1% de contenido en azufre (BIA: Bajo Índice de Azufre).

En cuanto al uso del gasoil, existen tres tipos: A, B y C, dependiendo de que su uso sea para automoción, maquinaria agrícola o calefacción. Son muy similares, y la diferencia principal entre ellos es debida a los impuestos que se les aplica.

Combustible Densidad (kg/m3)

PCI (kJ/kg) Fracciones másicas (% en peso)

Fuel BIA 950 41.000 85C, 14H, 1S

Fuel I 950 40.546 85C, 12H, 3S

Gasóleo 810-840 43.200 86C, 13H, 0,5S

Metanol 790 19.700 38C, 12H, 50 O

Etanol 790 26.800 52C, 13H, 35 O

Gasolina 720-770 43.700 86C, 14H

Tabla 1.4.- Características de diferentes combustibles líquidos

Existen también unos tipos de combustibles constituidos por una mezcla de varios, tales como el IFO, mezcla de gasóleo y fuel I. Otro combustible mixto es el diesel-oil, mezcla de gasóleo al 80% y 20% de fuel I. Por otro lado, existen diferentes combustibles líquidos procedentes de biomasa, obtenidos a través de procesos aerobios o anaerobios de conversión bioquímica de aquella, como por ejemplo, la fermentación alcohólica de caña de azúcar y remolacha para obtener etanol.

Los combustibles líquidos se pueden clasificar en cuatro categorías, dependiendo del punto de inflamación de éstos:

* Clase A: hidrocarburos licuados (GLP). Pertenecen a gases combustibles.

* Clase B: su punto de inflamación es inferior a 55ºC (gasolinas, petróleo, naftas, kerosenos, alcoholes, etc.)

* Clase C, cuyo punto de inflamación esta comprendido entre 55ºC y 100ºC (gasoil, fueloil, diesel oil.)

* Clase D: tienen un punto de inflamación superior a 100ºC (asfaltos, vaselinas, parafinas, lubricantes, etc.).

En los países industrializados se prepara una amplia gama de fuelóleos en función de las características medias especificadas para cada uso. La temperatura del fueloil debe ser lo suficientemente elevada para mantener baja la viscosidad, facilitando la atomización del mismo.

Otros combustibles líquidos

Son el resultado de un proceso de transformación de biomasa dando lugar a alcohol etílico (bioetanol) y derivados o aceites vegetales (bioaceites) y derivados. Su aplicación principal es sustituir a los combustibles líquidos convencionales en



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

1.7. Combustibles gaseosos

A los gases que intervienen en los procesos de combustión se les denomina gases combustibles. Debido a las diferentes características de los combustibles gaseosos, que tienen un origen diverso, se clasifican en base al índice de Wobbe (W): es el cociente entre el poder calorífico superior (PCS) y la raíz cuadrada de la densidad relativa del gas (ρr), igual a la relación entre la densidad del gas (ρgas) y la del aire (ρaire).

r

PCSWρ

=

Cuando sea requerida una mayor precisión se recurrirá a la norma UNE EN ISO 6976:2005 para el cálculo del poder calorífico, densidad, densidad relativa e índice de Wobbe a partir de la composición.

Así pues los combustibles gaseosos se clasifican en las siguientes familias:

* Primera familia: índice 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 índice de Wobbe (aire metanado).

* Segunda familia: índice 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 índice de Wobbe (aire propanado).

* Tercera familia: índice de Wobbe comprendido entre 77,46 y 92,40 MJ/Nm3. En este grupo están los GLP (propano y butano comerciales).

Gases combustibles naturales y artificiales

Gas 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 está compuesto principalmente por metano (en proporción superior al 70%), siendo los restantes componentes hidrocarburos saturados como el etano, propano, pentano, butano y pequeñas proporciones de otros gases como anhídrido carbónico, nitrógeno y en algunos casos ácido sulfhídrico, oxigeno e hidrógeno. La proporción en que están presentes estos gases no suele sobrepasar el 15%.

El gas natural proviene de un proceso análogo al de formación del petróleo y se puede encontrar en los pozos petrolíferos junto al crudo (gas natural asociado) o bien en yacimientos propios (gas natural no asociado).

Gases Licuados del Petróleo (GLP)

Estos hidrocarburos están presentes en los crudos y disueltos con el resto de componentes, de los que se separa por destilación fraccionada. Algunos gases naturales contienen propano y butano en pequeñas proporciones; en estos casos,



se suele extraer antes de proceder a la distribución del GN por tuberías. Se denominan así al propano, butano y sus mezclas, que se almacenan y transportan a presión para mantenerlos en estado líquido.

Estos sufren una desulfuración y una separación en la que se obtienen sus dos productos más 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 proporción de cada uno de sus componentes varía en función de su uso, siendo los más frecuentes: Como complemento al gas manufacturado (bajo índice de Wobbe) y como intercambio con gas natural (alto índice de Wobbe). El GLP se inyecta a presión elevada en la garganta de un venturi, provocando así una depresión 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 tuberías, desde la fábrica hasta los domicilios de los consumidores. Este gas se ha venido obteniendo utilizando como materia prima carbón, mediante procesos de destilación de la hulla (gas de hulla) y gasificación del carbón con vapor de agua (gas de agua). Sin embargo, los procesos más utilizados en la actualidad emplean como materia prima diferentes fracciones petrolíferas o bien gas natural, empleando dos procesos de producción, como son:

a) Oxidación parcial: su ventaja principal es que admite cualquier hidrocarburo, desde gas natural hasta crudo petrolífero o cualquiera de sus fracciones. La gasificación se lleva a cabo mediante la reacción del hidrocarburo con oxígeno y agua a altas temperaturas (1100 a 1500º C). En la reacción que tiene lugar se produce monóxido de carbono.

b) Reformado catalítico: como materias primas más empleadas está el gas natural y naftas ligeras. En la primera fase del proceso se forma monóxido de carbono e hidrógeno, en una reacción endotérmica, tras lo cual se enfría el gas obtenido y se hace reaccionar con más vapor de agua en un lecho de catalizador, donde se produce dióxido de carbono y agua. En otras etapas se elimina una parte del CO2, y otra parte reacciona con el hidrógeno para producir metano (CH4):

Gasificación del carbón

En este apartado se analiza la transformación del carbón en un combustible gaseoso. Este proceso se lleva a cabo en un reactor, con una atmósfera especial y a temperatura entre 800 y 1500ºC. La atmósfera en la que se producen las reacciones que dan lugar a la gasificación del carbón puede ser de tres tipos:

* Aire + vapor de agua: se obtiene un gas de bajo poder calorífico.

* Oxígeno + vapor de agua: gas con un poder calorífico medio y se emplea como gas de síntesis para la obtención del amoníaco y metanol, y como gas reductor para la reducción directa del mineral de hierro.



* Hidrógeno + vapor de agua: se obtiene un gas con alto contenido de metano que recibe el nombre de gas natural sintético (GNS) y cuyo poder calorífico es muy elevado.

A la salida del reactor, el gas se somete a un proceso de purificación y una desulfuración para eliminar las partículas sólidas y componentes de azufre (principalmente SH2). En ocasiones también se le hace reaccionar con vapor de agua para eliminar parte del monóxido de carbono. Finalmente se eliminan los gases ácidos (SH2, CO2), obteniéndose así un gas limpio. La composición del gas resultante varía mucho en función de las condiciones reinantes en el reactor (presión, temperatura, tipo de atmósfera), de las características del reactor y también de las características del carbón empleado. Los componentes principales del gas resultante son hidrógeno, metano, monóxido de carbono, dióxido de carbono y vapor de agua. Finalmente, las transformaciones químicas o bioquímicas a que se someten algunos tipos de biomasa dan lugar a combustibles gaseosos de origen renovable, como el biogás. Este epígrafe también será desarrollado junto con el resto de biomasa a continuación.

1.8. Biomasa

La biomasa y, por tanto, los productos derivados de ella son de carácter renovable. La energía que puede obtenerse a partir de la biomasa proviene de la energía solar, que gracias al proceso de fotosíntesis es aprovechada por las plantas verdes mediante reacciones químicas en las células vivas, para tomar dióxido de carbono del aire y transformarlo en sustancias orgánicas.

Tipos de biomasa

La biomasa, atendiendo a su origen, se puede englobar y clasificar en los siguientes tipos.

- Natural. Es la que se produce en los bosques. La explotación de este tipo de biomasa perjudica seriamente al medio ambiente, aunque hoy en día constituye la principal fuente de energía de los países en vía 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 agrícolas: procedentes de los cultivos leñosos (podas de árboles frutales, vid y olivar) y herbáceos (paja de cereales y leguminosas, cañote y zuro de maíz, cañote y cabezas de girasol y partes de aprovechables de hortalizas como la remolacha, patata, calabaza, etc.).

- Residuos sólidos urbanos, procedentes del medio urbano.

- Residuos biodegradables: residuos ganaderos, (estiércol y purines), de matadero, de industrias agroalimentarias (alcoholeras, azucareras, papeleras, etc.) y lodos de depuradoras de aguas.

- Cultivos energéticos. Son los dedicados a la producción de biomasa para fines energéticos. Estos cultivos están basados en producir cantidad y no calidad con el fin de abaratar los costes.



- Excedentes agrícolas. Se trata de los excedentes agrícolas no empleados para el consumo humano. Estos suelen aprovecharse para la elaboración de biocombustibles líquidos.

El consumo de biomasa en España en el año 1990 fue de 2,42 Mtep/año, 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/año, (en torno al 2,5% de la demanda).

Cultivos energéticos y excedentes agrícolas

A partir de los productos derivados de los cultivos energéticos y los excedentes agrarios pueden obtenerse combustibles líquidos capaces de sustituir total o parcialmente a los combustibles fósiles convencionales; así es posible emplear el etanol obtenido a partir de materias vegetales. Se pueden distinguir entre dos tipos de cultivos energéticos:

a) Los destinados a la producción de plantas que produzcan sustancias susceptibles de ser empleadas, de forma más o menos directa, como combustibles sólidos, líquidos o gaseosos. Aquí se puede destacar los cultivos de colza, soja o girasol. De aquí se obtienen bioaceites que pueden emplearse, sin refinar, en motores diesel de bajo rendimiento. Estos bioaceites reducen considerablemente las emisiones de CO, hidrocarburos y hollín.

b) Los destinados a la producción de biomasa rica en hidratos de carbono, empleada para la producción de bioalcohol. Aquí cabe destacar la caña de azúcar, remolacha, maíz, cebada y patata, o bien cultivos acuáticos como las algas.

Residuos biodegradables

Se engloban aquí una serie de productos, con alto contenido en humedad, susceptibles de ser transformados mediante el mecanismo de degradación anaerobia, descomponiéndose y dando lugar a una fracción en estado gaseoso. Los residuos que generalmente se asocian a este proceso son: Purines y estiércol 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 doméstica en los núcleos de población o zonas de influencia. Se pueden distinguir dos tipos de residuos urbanos: los residuos sólidos urbanos (R.S.U.) y las aguas residuales urbanas (A.R.U.). Las cantidades de R.S.U. producidas durante los últimos años han experimentado y siguen experimentando un constante aumento debido al crecimiento demográfico y a la generación de residuos por habitante y día. La eliminación de estas grandes cantidades de residuos supone un coste económico elevado (recogida, transporte y eliminación) y el vertido incontrolado contribuye tanto al deterioro de los suelos, como de las aguas y del propio paisaje. Los procedimientos más empleados para la eliminación de los residuos sólidos urbanos son los siguientes:

a) Vertido controlado. Es el más empleado en la mayoría de los países, pero presenta unos puntos débiles que son: impermeabilización del terreno para evitar la contaminación de acuíferos por percolados y lixiviados; extracción controlada del biogás producido en la fermentación de los residuos enterrados; necesidades de



grandes superficies de terreno; incremento del gasto de transporte ocasionado por la lejanía de los núcleos de población, como consecuencia de los malos olores.

b) Compostaje. Consiste en la fermentación 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 relación C/N y por tanto utilizable como fertilizante. Sin embargo el compostaje sigue siendo una fuente de desagradables olores y requiere normalmente una separación previa de determinadas fracciones (por ejemplo, plásticos, gomas o materiales metálicos), con el fin de evitar la posible contaminación de los suelos que determinaría su presencia en el fertilizante.

c) Reciclado. Consiste en la recuperación de grandes cantidades de papel, plástico, vidrio y metales, lo que repercute en el ahorro de materias primas y de la energía empleada para la fabricación de estos materiales.

d) Incineración. En la actualidad, los RSU poseen gran cantidad de componentes combustibles, como papel, cartón y plásticos, aumentando así el poder calorífico inferior de los mismos. Esta incineración genera energía calorífica, 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 incineración está en los humos emitidos, tanto por su composición como por su cantidad.

Para evitar la formación de muchas de las sustancias tóxicas, las temperaturas de incineración deben estar comprendidas entre los 800 y 1100ºC, requiriéndose tiempos de residencia de los humos en el hogar suficientemente grandes para garantizar la total destrucción de todos los compuestos orgánicos. Para lograr la combustión completa y evitar la pirólisis de los RSU, se precisan coeficientes de exceso de aire superiores a 2. Por este motivo, el rendimiento de la combustión 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 depuración de los gases ácidos (HCl y Cl2), además de los metales pesados y compuestos orgánicos. Se realiza en torres de absorción compactas, empleándose un reactivo de naturaleza alcalina como la cal, carbonatos o sosa. Posteriormente se eliminan las partículas sólidas en suspensión por precipitación electrostática para, finalmente, emitir a la atmósfera 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 solución más acertada podría ser una recogida selectiva de ciertos residuos (papel, cartón y vidrio) acompañada de un compostaje de ciertas fracciones y la incineración con recuperación de energía del resto. Lo ideal, desde el punto de vista medioambiental, sería que la basura (con mezcla heterogénea de diferentes materiales) no llegase a producirse. Esto se podrá conseguir de forma parcial, con la recogida selectiva de algunos de los productos que hoy en día conforman los RSU, o evitando su generación mediante el empleo de envases retornables. En España, la contribución de los RSU al abastecimiento de energía primaria se encuentra por debajo de la media comunitaria. En países como Suiza y Japón incineran el 80% de sus basuras.



Sistemas de aprovechamiento energético de la biomasa

La utilización de la biomasa con fines energéticos presenta una serie de ventajas medioambientales. La principal se refiere a una disminución de las emisiones de CO2. El carbono contenido en esta materia procede del CO2 atmosférico, que las plantas se han encargado de retener mediante la fotosíntesis. La emisión a la atmósfera de ese carbono no supone un incremento del contenido sobre la superficie terrestre, al contario de lo que ocurre con las emisiones de combustibles fósiles, donde se devuelve a la atmósfera una cantidad de carbono que la naturaleza ha tardado miles o millones de años en retener para favorecer la vida actual en el planeta. Otras ventajas añadidas son las pequeñas cantidades emitidas de elementos sulforados o nitrogenados, muy pocas partículas sólidas, y la diversificación energética, disminuyendo la dependencia de fuentes externas como el petróleo o el carbón.

Sin embargo, tiene mayores costes de producción, acondicionamiento, transporte y almacenamiento, frente a la energía que proviene de los combustibles fósiles, y los equipos de consumo poseen peor rendimiento energético en comparación a los que utilizan aquellos convencionales. Esto, unido a la producción estacional de esta biomasa en la mayoría de las ocasiones, hace muy difícil su implantación. Sin embargo, el potencial energético existente es enorme, y las políticas energéticas van encaminadas a promocionar el aprovechamiento de este tipo de fuente.

En este sentido, actualmente las tecnologías aplicadas a este tipo de fuente están inmersas en una etapa de gran desarrollo. La investigación se centra en el aumento del rendimiento energético 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 interés a través de transformaciones iniciales, como los biocombustibles. Así, la energía útil a partir de esta biomasa se puede conseguir de las siguientes formas:

- Combustión directa. La combustión directa o incineración de la biomasa ha sido el método más empleado por el hombre para generar calor. Consiste en una reacción exotérmica de oxidación con aire, a temperaturas próximas a los 1000ºC, y siempre que el contenido de humedad sea inferior al 40%. El poder calorífico inferior de la biomasa residual puede oscilar entre 7000 y 20000 kJ/kg.

- Transformación mediante procesos químicos (termoquímicos y bioquímicos):

o Gasificación. Consiste en un complicado proceso de reacciones químicas que se producen en el interior del lecho y que dan lugar a una combustión incompleta. El gas pobre, así obtenido, contiene CO, H2, N2 y CH4 y con un poder calorífico de 1000 a 1500 Kcal/m3 de gas. Como agente gasificante se puede utilizar dióxido de carbono, vapor de agua o combinaciones de éste con aire, oxígeno o hidrógeno.

o Pirólisis. Consiste en someter a la biomasa a temperaturas de 500 a 600ºC en ausencia de oxígeno en cámaras herméticas; así, los constituyentes se transforman en una fracción sólida compuesta por carbono (carbón de coque), una fracción líquida (ácidos aldehídos, cetonas, alcoholes y compuestos fenólicos) y otra gaseosa (monóxido y dióxido de carbono, metano, etano hidrógeno y vapor de agua).

o Fermentación metánica (generación de biogás). Es una de las vías por la que la naturaleza descompone la materia orgánica, a través de procesos



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 Fermentación alcohólica (obtención de combustibles líquidos de origen vegetal). Este proceso químico transforma los hidratos de carbono de la biomasa vegetal (con contenido importante en azúcares) en alcohol (etanol) por la intervención de microorganismos como las levaduras que producen enzimas que catalizan la reacción.

En general, considerando globalmente la actividad humana, se estima una producción anual de biomasa residual de dos toneladas por habitante, con un poder energético de 9000 kWh/año, 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 está concentrada, lo que hace muy difícil un aprovechamiento rentable; de otro lado que el aprovechamiento de esta masa residual lleva consigo un gran aporte de energía (recolección, transporte y transformación), reduciendo así la energía útil obtenida. Actualmente se está implantando el uso de biocarburantes en motores alternativos de combustión interna, que poseen unas características parecidas a las de los combustibles fósiles líquidos y gaseosos, para su utilización en aquellos sistemas sin efectuar modificaciones considerables. Estos biocombustibles proceden de una transformación de la biomasa inicial, que se presenta normalmente en forma sólida. La tabla 1.5 presenta una clasificación de los principales tipos que actualmente se desarrollan.

Materia Prima Proceso de

transformación Biocarburante

Azúcares

(Caña y remolacha) Fermentación alcohólica Bioetanol

Almidones

(Cereales) Sacarificación y

Fermentación alcohólica Bioetanol

Lípidos

(Aceites vegetales y grasas animales)

Esterificación con Metanol Biodiesel

Residuo Orgánico

(RSU, RA,..) Fermentación Anaerobia Metano

Tabla 1.5. Biocarburantes en producción.

1.9. Almacenamiento, transporte y distribución de combustibles

Combustibles sólidos

La preparación y transporte de un combustible comprende las etapas necesarias a efectuar en fábrica o en el lugar de utilización, para recepcionar el mismo, almacenarlo y situarlo en las condiciones técnicas de presión, temperatura, humedad, viscosidad, etc., requeridas por el quemador con el fin de conseguir una



óptima combustión. Dentro de los combustibles sólidos, se hará referencia al carbón por ser este el más empleado. Éste llega a las instalaciones consumidoras por barco, ferrocarril o camión, y en cantidades suficientes como para garantizar el funcionamiento normal de la instalación.

En grandes instalaciones, el carbón se almacena en el exterior sometido a los agentes atmosféricos. Presentan algunos problemas en su almacenamiento, como son: disminución del poder calorífico, desmenuzamiento y riesgo de combustión espontánea (por aumento de temperatura por oxidación y acción bacteriana) y pérdidas por erosión del viento y agua. Este almacenamiento puede llevarse a cabo en pequeñas 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 tubería, neumático (carbón pulverizado).

Finalmente, junto al hogar, se almacenan pequeñas cantidades de combustible en silos (construidos de hormigón armado o acero revestido interiormente con hormigón, acero inoxidable, etc., para evitar corrosiones), los cuales tienen una doble misión: 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 instalación de 3 días. Deben estar alejados de los focos de calor (para evitar explosiones) y deben colocarse de forma que el flujo de combustible sea lo más vertical posible.

Combustibles líquidos

Los combustibles líquidos se almacenan en depósitos de capacidad y localización adecuadas. Desde los camiones cisterna se traen y descargan estos combustibles, por lo que también habrá que considerar el proceso de carga. Para el abastecimiento de grandes consumidores se deben calentar las cisternas, pues las condiciones de suministro pueden hacer difícil la evacuación del combustible. Así, necesitan de una red de vapor y otra de retirada de condensados.

Los tanques de almacenamiento se diseñarán y construirán conforme a diferentes normas UNE. Se pueden construir de chapa de acero, polietileno de alta densidad, plástico 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 instalación receptora consiste típicamente en una red que, partiendo del depósito principal, lleva el combustible mediante un equipo de trasiego, pasará por un contador de consumo, para derivar a cada instalación receptora (sea una o varias con un depósito común, residencial, comercial o industrial). Hay que llevar el combustible en perfectas condiciones de presión y viscosidad, limpio de impurezas que puedan perjudicar una atomización regular.

Para el suministro a motores térmicos, 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 eléctrica con recirculación automática.



Combustibles gaseosos

Para los gases de la primera familia (gas ciudad), éstos se producen de manera continua, almacenándose en la propia fábrica, para llevar a cabo su distribución más tarde. Se realiza en gasómetros, que regulan el consumo automáticamente (véase la figura 1.1). El gas puede pasar directamente desde el gasómetro a alimentar la red de baja presión, o pasar a un compresor más enfriador para alimentar la red de alta presión.

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 líquida a baja temperatura (-160ºC) y una ligera sobrepresión. Los grandes tanques de almacenamiento de GNL, se construyen a base de hormigón pretensado y acero, con doble tanque. El tanque interior tiene la misión 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 distribución regasificando el gas y alimentando directamente la red de distribución, o llegar a ésta mediante un gasoducto.

Los gases de la tercera familia (GLP), se encuentran en fase gaseosa normalmente, y para ser almacenados se incrementa la presión un poco o se enfrían. El almacenamiento en fase líquida se puede realizar, por un lado, mediante recipientes cilíndricos de acero (bombonas), con cargas útiles de 12,5 kg de butano comercial de uso prácticamente exclusivo para el mercado doméstico; 11 kg de propano comercial empleado para uso doméstico (básicamente calefacción) y en el mercado industrial de pequeño consumo; 35 kg de propano comercial de uso en el mercado doméstico (para grandes consumos) y en el industrial de consumo medio. Por otro lado, también se almacenan mediante tanques fijos que se recargan periódicamente por camiones cisternas con propano comercial. Se emplean en el mercado doméstico (chalés individuales), para mercado industrial y para servicio a surtidores de gas combustible para automoción (en este caso se emplean mezclas de butano y propano comerciales).

Las redes de distribución de gas permiten dar un suministro continuo al usuario. La distribución 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 líquido. En el primer caso, la conexión entre las distintas



formas de distribución (a diferentes presiones) se hace por medio de las denominadas estaciones de regulación y medida (ERM), que tienen por misión regular la presión de salida. La distribución del gas por tuberías se realiza a diferentes presiones manométricas:

- Alta presión B. Son los denominados gasoductos, grandes redes de transporte, con presiones superiores a 16 bar.

- Alta Presión A. Utilizan presiones de distribución entre 16 y 4 bar.

- Media Presión B. Emplean presiones entre 0,4 y 4 bar.

- Media Presión A. Utilizan presiones menores de 0,4 bar y superiores a 0,05 bar.

- Baja Presión. Como suministro para consumos domésticos y comerciales. La presión de suministro es inferior a 0,05 bar.

Si el transporte del gas es en estado líquido (por ejemplo GNL), para poder realizarse será necesaria la siguiente infraestructura:

* Planta de tratamiento y licuación del gas.

* Transporte del gas licuado en buques metaneros.

* Terminal de recepción, almacenamiento y regasificación; si bien la regasificación puede evitarse, transportando el gas mediante camiones cisterna criogénicos hasta el lugar de consumo.

Los buques metaneros (barcos dotados de depósitos capaces de soportar el gas natural licuado y que emplean como combustible el gas que se va evaporando durante la navegación) disponen de su propio sistema de bombas criogénicas, 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 presión adecuada, se conecta un brazo secundario de retorno de vapor.

Actualmente, el sistema gasista para GN comprende una red básica, líneas de transporte secundarias, redes de distribución e instalaciones complementarias. La red básica indicada comprende gasoductos, plantas de regasificación, almacenamientos estratégicos, conexiones con yacimientos y con otras redes internacionales.

La distribución de los gases licuados del petróleo (butano, propano) se realiza mediante los recipientes cilíndricos o tanques fijos indicados, o mediante redes de distribución, que partiendo de un tanque fijo llega hasta los usuarios.

Las redes, según su forma, se clasifican en ramificadas, cuyos tramos no se conectan entre sí, y las malladas, que sí lo hacen. Estas últimas son más costosas, sin embargo, el servicio no se interrumpe en caso de avería en una zona, pues el gas se suministra por la parte que no está afectada del corte. Por otro lado, y según su ubicación, se pueden clasificar también en redes urbanas, semiurbanas (zonas con pocas edificaciones) y no urbanas (campos).


Tema 1 Combustibles ales (Virtual)

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