Análisis 140: Oxi-combustión en horno industrial con productos en base húmeda

Un hidrocarburo (composición molar) en estado gaseosos entra a un horno industrial a 25ºC y 101.325 kPa:

C3H8 --> 70 %

n-C4H10 --> 25 %

N2 --> 5 %

El oxidante es oxígeno puro que entra al quemador a 25ºC y 101.325 kPa. La composición molar de los productos de combustión en base húmeda es:

CO2 --> 30 %

O2 --> 17 %

Los gases de la combustión salen a 1240ºC. Sabiendo que no hay H2(g) en los productos de combustión, determinar:

a) Obtener los productos de la combustión en base húmeda y seca.

b) Coeficiente de exceso de aire.

c) Temperatura adiabática de la llama.

d) Calor intercambiado.

e) Eficiencias de la combustión.

f) Irreversibilidad.

g) Diagrama energético y exegético.

Un horno industrial, también conocido como calentador directo o calentador de fuego directo, es un dispositivo que se utiliza para proporcionar calor para un proceso industrial, generalmente a más de 400 grados centígrados. Se utilizan para proporcionar calor para un proceso o pueden servir como reactores que proporcionan calores de reacción. Los diseños de los hornos varían en cuanto a su función, servicio de calefacción, tipo de combustible y método de introducción de aire de combustión. El calor es generado por un horno industrial al mezclar combustible con aire u oxígeno, o a partir de energía eléctrica. El calor residual saldrá del horno como gas de combustión (flue-gas).

En el proceso de oxi-combustión, el aire de combustión del horno o caldera se reemplaza con oxígeno puro, procedente de una unidad de separación de aire (ASU). Se excluye el nitrógeno que normalmente se transportaría con el aire a través de la quema de aire-combustible convencional. Este proceso de combustión de oxicombustible puede aplicarse a unidades de carbón, gas natural, biomasa o petróleo. En su lugar, una parte del gas de combustión rico en CO2 se recircula a un sistema convencional de lecho fluidizado/quemador/pulverizador, sustituyendo el nitrógeno por CO2 en el horno. La oxicombustión crea un gas de combustión que es principalmente CO2, en lugar de nitrógeno, e incluye productos típicos de la combustión. El gas de combustión no recirculado que sale de la caldera se limpia utilizando sistemas convencionales de eliminación de partículas y azufre y se envía a la unidad de purificación por compresión (CPU) donde se produce una corriente de CO2 de alta pureza adecuada para el transporte u otros usos.

La eficiencia de la combustión determina la capacidad del quemador para quemar el combustible. La eficiencia de la combustión se indica por la cantidad de combustible no quemado y el nivel de oxígeno en el escape. La eficiencia de la combustión depende del combustible quemado y es mayor para los combustibles líquidos y gaseosos que para los combustibles sólidos.

La eficiencia es un factor importante en la evaluación del rendimiento del horno o de la caldera. La eficiencia general de la caldera depende de la eficiencia de los otros componentes. El rendimiento de la caldera está determinado principalmente por su rendimiento térmico y de combustión. También puede verse afectado por otras pérdidas.

Además de la eficiencia de combustión y la eficiencia térmica, otros parámetros afectan la eficiencia general, como las pérdidas por purga, las pérdidas por encendido y apagado, las pérdidas por convección, las pérdidas por radiación, etc. La eficiencia del horno o la caldera se calcula a través de dos métodos:

Método Directo: El método directo de probar la eficiencia de la caldera implica comparar la energía del fluido (agua y vapor) con la energía del combustible.

Método Indirecto: El método indirecto de prueba de eficiencia determina la diferencia entre las pérdidas y la entrada de energía en la caldera.