12º CONGRESO IBEROAMERICANO DE INGENIERÍA MECÁNICA
Guayaquil, 10 a 13 de Noviembre de 2015
Combustión Latente en Pellets de Madera
Edmundo Villacorta*
*Departamento de Ingeniería en Stord / Haugesund University College, Bjørsonsgt. 45, Haugesund, Noruega *e-mail: [email protected]
Palabras claves: Combustión Latente, Smoldering Combustion
RESUMEN
La combustión latente (Smoldering en inglés) es un tipo de combustión poco estudiada en comparación con otras formas de combustión (reacción química exotérmica). Este tipo de combustión se produce en materiales porosos a bajas temperaturas y ocurre lentamente. Actualmente es posible encontrar disponible en el mercado pellets de madera, debido al desarrollo de biocombustibles en los últimos años en Europa. Los riesgos relacionados con el almacenaje y transporte de estos biocombustibles incluyen entre otros el posible riesgo de combustión, siendo la combustión latente más peligrosa aún, pues ésta ocurre a bajas temperaturas, es difícil de detectar y de extinguir. Para el presente trabajo se realizaron diferentes experimentos en los que una determinada cantidad de pellets de madera fueron colocados en una tubería aislada y calentados mediante una placa calefactora (sistema semi cerrado con ventilación natural en la parte superior). Diferentes fenómenos fueron observados: pirólisis, producción de carbón a partir de pellets de madera, combustión latente de brasas incandescentes y combustión latente auto sostenida. Los resultados experimentales en pellets de madera (en el sistema elegido) muestran que la combustión latente puede auto sostenerse entre temperaturas 200,3 °C y 233,2 °C a partir de las mismas la combustión latente puede prolongarse produciéndose un embalamiento (o desbordamiento) térmico (thermal runaway en inglés), es decir la reacción exotérmica (combustión latente) se auto acelera hasta quedar fuera de control.
COMBUSTIÓN Y COMBUSTIÓN LATENTE
La combustión es una reacción química exotérmica de oxidación en la cual existe un elemento, llamado combustible, que al ser atacado por oxígeno, reacciona químicamente produciendo una gran cantidad de energía en forma de: calor y luz (comúnmente denominado fuego). La combustión es estudiada desde diferentes disciplinas, la Termodinámica por ejemplo estudia la combustión cuando ésta ocurre de manera controlada y busca obtener el máximo de energía posible, otras disciplinas como la Seguridad contra Incendios (Fire Safety en inglés) estudian la combustión en condiciones totalmente incontroladas, el concepto de Combustión Latente (en inglés Smoldering Combustion) ha sido desarrollado en esta última disciplina. Debido a no existir ninguna
traducción de la palabra inglesa “Smouldering” (inglésbritánico) o“Smoldering” (inglés americano) al idioma
español, desde el año 2002 se viene utilizando la terminología Combustión Latente. [1]
La combustión latente es un tipo de combustión que ocurre lentamente, sin presencia de flama, a bajas temperaturas durante la oxidación de materiales porosos. Este tipo de combustión es sumamente persistente ya que se auto sostiene con el calor producido cuando oxígeno ataca la superficie del material. Este tipo de combustión es sumamente riesgosa debido a que: la combustión latente origina la conversión del combustible en una serie de substancias tóxicas, que no arden (sin presencia de flama) y la combustión latente puede proveer un medio de producción de flama (fuego) el cual puede ser iniciado por fuentes de calor bastante débiles (comparadas con las normalmente necesarias para producir flama). [2]
El término de combustión latente puede ser erróneamente confundido con pirolisis, sin embargo hay que recordar que el proceso de pirolisis es el resultado de la descomposición de combustible debido a una flujo externo de calor, en presencia de poco oxigeno (o en ausencia de éste). Los materiales orgánicos en presencia de un flujo de calor, se degradan, se gasifican y producen humo. La combustión latente no requiere de un flujo externo de calor, debido a que ésta se auto sostiene.
Ejemplo de combustión latente en el cigarrillo o cigarro
Un cigarrillo está compuesto por plantas secas de tabaco picado envuelto en una hoja de papel en forma de cilindro. En este caso el papel y el tabaco (ambos materiales orgánicos sólidos) actúan como combustible, al tratarse de tabaco picado y envuelto con papel, el cigarrillo tiene una estructura porosa debido a los espacios que se producen dentro del cilindro formado con el papel.
Cuando uno de los extremos de un cigarrillo es acercado a una fuente de calor (la flama de un fósforo o cerillo por ejemplo) se inicia un proceso de pirolisis en la zona donde el material es atacado por el calor, el material combustible se calienta empieza a degradarse y se producen gases y humo la mayoría de éstos tóxicos. Una parte del material combustible permanece virgen (mantiene sus propiedades iniciales), mientras que en el extremo donde el calor ataca el material combustible se desarrolle una capa (layer en inglés) donde se produce la pirolisis, en ésta capa parte del combustible sólido se carboniza (char en inglés), parte se convierte en cenizas (residuos de material combustible) y el resto se transforma en gases producidos durante la pirolisis. [3]
Para “encender” el cigarrillo es necesario succionar aire a través de él, la succión de aire en realidad implica
forzar el ataque de oxígeno a la superficie del material combustible, una vez que esto se ha efectuado es posible retirar la fuente de calor (la flama) y el cigarrillo queda “encendido”.La capa expuesta al calor de la flama se convierte momentáneamente en brasa (ember en inglés) durante el ataque de oxígeno (succión de aire). Retirada la fuente de calor, la combustión latente se propaga lentamente en la capa donde ésta se ha originado, manteniendo el resto de combustible (cigarrillo para este ejemplo) sus condiciones físicas y químicas originales (combustible virgen).
Un cigarrillo “encendido” es el típico ejemplo de combustión latente, debido a que la combustión se auto sostiene gracias a que el calor producido por la oxidación del combustible carbonizado (en este caso el tabaco y papel) es suficiente para calentar el aire circundante y mantener la combustión del material combustible, si esto no se produjera el aire circundante enfriaría la reacción y esta se extinguiría. Asimismo el ataque de oxígeno es suficiente para mantener la combustión en la capa en la que la combustión latente se produce logrando su propagación.
El calor generado, durante la oxidación y que permite carbonizar combustible (zona aledaña a la cual se produce la combustión), produce más combustible carbonizado, el cual al oxidarse (en una serie de reacciones heterogéneas que involucran fases sólidas y gaseosas) da origen a la combustión latente.
El proceso de fumar (succionar aire y humo a través del cigarrillo) implica forzar el ataque de oxígeno a la superficie de la capa donde la combustión latente se produce, esto origina la formación de una brasa la cual se propaga a diferente velocidad, más rápidamente comparada con el caso en el que oxígeno no es forzado, y diferente temperatura, debido a que la energía producida es mayor y el calor y la luz generados dentro de la zona del espectro visible para el ojo humano.
EL SISTEMA PARA LOS ENSAYOS
Placa calefactora
Para realizar los ensayos se planteó calentar los pellets a través de una placa calefactora, inicialmente se trabajó una placa de aluminio cuadrada de 0,2 m de lado y de 30 mm de espesor la cual se colocó sobre un calentador eléctrico de 1,6 kW. Posteriormente se realizó una comparación entre dos diferentes materiales, acero y aluminio, optándose por este último debido principalmente a que el aluminio mantenía una temperatura más estable durante los cambios de temperatura efectuados por el calentador eléctrico. Durante pruebas sucesivas se decidió modificar la placa de aluminio y se optó por una placa cuadrada de 0,28 m de lado y 30 mm de espesor la cual se maquinó para poder colocar los termopares (thermocouple en inglés) en posiciones pre establecido. El calentador eléctrico puede regularse para mantener una temperatura constante o una potencia constante.
Tubería y aislamiento
Se empleó una tubería de acero de 155 mm de diámetro, 0,25 m de longitud y 1,1 mm de espesor. Este tipo de tubería es usada en la instalación de tuberías para chimeneas. Estás tuberías pueden ser instaladas con una capa de aislamiento de 57,5 mm de espesor. El objetivo de este sistema y la configuración del mismo tienen como finalidad producir un flujo de calor unidimensional a lo largo de la longitud de la tubería.
Mediciones y registro de datos
Se empleó termopares para realizar mediciones de temperatura en diferentes puntos: superficie de la placa calefactora, diferentes niveles por encima de la placa calefactora (espaciados 30 mm) los mismos que están ocupados por pellets de madera, temperatura de la tubería, etc. Todo este sistema se colocó sobre una balanza para medir las variaciones de masa y sobre todo registrar la pérdida de masa de combustible cuando los diferentes fenómenos se produzcan. Todos los datos fueron registrados a través de un equipo registrador de datos marca Fluke modelo Hydra y guardados para su posterior análisis.
EL MATERIAL
Debido al desarrollo de los biocombustibles en los últimos años, es sumamente sencillo encontrar en diferentes establecimientos comerciales pellets de madera. Los pellets de madera poseen normas de fabricación similares en Noruega (NS 3165) y en Suecia (SS 187120:1998) lo cual permite su comercialización como un combustible estándar. [4] Para el presente estudio experimental se usaron pellets de madera producidos en Suecia de clase 1, es decir pellets de madera de forma cilíndria de 8 mm de diámetro y de longitudes diferentes (promedio 20 mm). Las diferentes clases de pellets de madera son resumidas en la tabla 1.
A pesar de estos estándares es conveniente resaltar que la madera no es un material estándar y que diferentes tipos de madera que provienen de diferentes tipos de árboles poseen propiedades físicas y químicas diferentes, esto ha sido estudiado largamente en el campo de las energías renovables, especialmente durante los trabajos experimentales para la gasificación de biomasa por medio de pirolisis. [5]
Los pellets de madera provienen de diferentes fuentes y por lo tanto de diferentes especies de árboles y para su fabricación diferentes partes de un mismo árbol pueden ser usados, se sabe que esto puede producir variaciones en las propiedades de éste material.
aproximado de 10 millones de Coronas Suecas (1,17 millones de dólares americanos) por cada incidente y en el 2014 un incidente en almacén en superficie, también en Suecia, con un costo de pérdida aproximado de 14 millones de Coronas Suecas (1,64 millones de dólares americanos). [6]
Tabla 1: Temperaturas del refrigerante en el sistema experimental de refrigeración
Propiedad Unidad Clase 1 Clase 2 Clase 3
Diámetro [ mm ] Especificado por fabricante
Especificado por fabricante
Especificado por fabricante Longitud [ mm ] ≤ 40 ≤50 ≤50 Densidad aparente [ kg/m3] ≥ 600 ≥ 500 ≥ 500
Resistencia Mecánica, medida depósito del
fabricante
[ % de masa final de diámetros < a
3mm ]
≤0,8 ≤1,5 > 1,5
Poder Calorífico neto [ MJ/kg ] ≥ 16,9 ≥ 16,9 ≥ 15,1
Humedad contenida [ % de masa de material seco ]
≤10 ≤10 ≤12
Ceniza [ % de masa de material seco ]
≤0,7 ≤1,5 > 1,5
Contenido de Azufre [ % de masa de material seco ]
≤0,08 ≤0,08 Especificado por fabricante Cloro [ % de masa de
material seco ]
≤0,03 ≤0,03 Especificado por fabricante Nitrógeno [ % de masa de
material seco ]
- -
-Substancias agregadas [ % de masa de material seco ]
Especificado por fabricante Especificado por fabricante Especificado por fabricante Punto de fusión de
cenizas
[ Temperatura de comienzo de fusión en °C ]
Especificado por fabricante Especificado por fabricante Especificado por fabricante
EXPERIMENTOS Y RESULTADOS
Diferentes experimentos se han realizado con la finalidad de determinar bajo qué condiciones (principalmente temperatura) la combustión latente se produce en pellets de madera bajo la configuración determinada: sistema semi cerrado con ventilación natural en la parte superior figura 1.
Primeros ensayos
Se realizaron dos experimentos donde ningún tipo de combustión fue observada. En el primer ensayo, los pellets de madera se calentaron mediante la placa calefactora durante 3 horas, luego de ello fueron retirados, no se observó presencia de gases ni humos, algunos pellets se carbonizaron (los que se encontraron al mismo nivel de la placa calefactora) otros pellets, que se encontraban en la parte superior (en contacto con el aire) explotaron y se pulverizaron (perdieron su forma inicialmente cilíndrica). En el segundo ensayo, los pellets de madera se calentaron durante 9 horas y tampoco se observó algún proceso de combustión, la única diferencia observada fue una mayor cantidad de masa de pellets carbonizada. Durante estos ensayos diferentes termopares fueron colocados. Se colocaron termopares en el eje de la tubería, al nivel de la placa calefactora, 30 mm por encima de la placa calefactora, 60 mm por encima de la placa calefactora y 90 mm por encima de la placa calefactora (segundo experimento). Para continuar con los ensayos se decidió utilizar 1,4 kg de masa de pellets, los cuales al ser colocados en la tubería de acero daban una altura de aproximadamente 120 mm. La conclusión inicial fue que se necesitaba un calentador eléctrico más potente (y/o modificar el sistema de regulación de temperatura del mismo) ya que sólo se lograba mantener una temperatura estable en la placa calefactora de alrededor de 260 °C. Las mediciones de temperatura de éstos ensayos se muestran en la figura 2.
Fig. 2: Ensayo sin combustión, Temperatura versus tiempo
Ensayos donde brasas son observadas
Se realizaron dos ensayos donde brasas fueron observados producto de la combustión, en ninguno de los casos no se observó flama.
El primero de ellos se realizó con el calentador eléctrico de 1,6 kW él cual se conectó directamente y sin regulación de temperatura alguna. La placa calefactora se calentó rápidamente y se intentó regular la temperatura de la misma manualmente (alrededor de 450 °C), debido a ello el calentador eléctrico se deterioró y la fuente de calor se retiró luego de haber transcurrido poco más de 4 horas. Durante ese periodo se observó gran presencia de humo, luego de ello brasas fueron observadas y la cantidad de humo disminuyo drásticamente, se realizaron registros de temperatura por 7 horas, es decir registros de la combustión de alrededor de 3 horas, los cuales se muestran en la figura 4. En este caso se observó bastante actividad en los termopares ubicados en la parte superior: líneas verde (90 mm por encima de la placa calefactora) y mostaza (60 mm por encima de la placa calefactora) observándose picos de temperatura ligeramente superiores a los 700 °C y 600 °C respectivamente. Esta actividad representada por una curva no uniforme, se observa gran variación de temperatura en el tiempo, es reflejo del ataque de aire a la superficie del combustible (pellets de madera) produciéndose enfriamiento, por el ataque de aire frio y posterior calentamiento debido a la combustión producida por la presencia de oxígeno en el aire que reacciona con el combustible (oxidación de combustible).
Fig. 4: Combustión Latente en Pellets de Madera: Placa Calefactora 450 °C Temperatura versus tiempo
El ensayo anterior se realizó demasiado rápido y dado que el calentador eléctrico se dañó, un nuevo calentador eléctrico de 2 kW es utilizado como estándar en los siguientes ensayos.
Fig. 5: Combustión Latente en Pellets de Madera: Placa Calefactora 370°C Temperatura versus tiempo
(90 mm por encima de la placa calefactora) y mostaza (60 mm por encima de la placa calefactora) observándose en éste caso picos de temperatura ligeramente inferiores a los 600 °C y 500 °C respectivamente, comparados con el ensayo anterior y descrito en esta misma sección, éstos picos de temperatura fueron bastante menores (aproximadamente 100 °C menos).
El análisis de las curvas de temperatura de la figura 4 evidencian que la combustión se propagó desde la parte superior, esto debido a una mayor presencia de oxígeno en la parte superior, pues ésta zona está en contacto con el aire. Gracias al aporte de un colega, quien ha lleva años estudiando la combustión latente, esto fue cuestionado pues de acuerdo a su experiencia la combustión latente ocurre a temperaturas mucho menores.
Ensayos donde combustión latente es observada
Se decidió repetir el ensayo y calentar los pellets de madera por menos tiempo, al no tener ninguna referencia en particular se optó por una temperatura de referencia, en este caso 300 °C que se registraría 30 mm por encima de la placa calefactora (se conoce que combustión latente se produce a temperaturas cercanas 300°C en el caso de materiales que contienen celulosa). [7] Se calentaron 1,4 kg de pellets cerca de 7,5 horas, la placa calefactora registró una temperatura estable de 345 °C en la parte superior en contacto con los pellets de madera, al registrar la temperatura de 300 °C a 30 mm de la placa calefactora se desconectó el calentador eléctrico.
El termopar ubicado a 30 mm por encima de la placa calefactora registró la temperatura máxima de 305 °C, a partir de la misma se registraron temperaturas menores, lo cual fue una indicación de que la masa de pellets contenida en la tubería empezaba un proceso de enfriamiento. Luego de 2,5 horas (de retirar la fuente de calor)
se pudo observar un fenómeno conocido comoembalamiento (o desbordamiento) térmico (thermal runaway en
inglés), es decir la reacción exotérmica (combustión latente) se auto acelera hasta quedar fuera de control, el primer desbordamiento térmico ocurrió a 30 mm por encima de la placa calefactora, los pellets de madera se habían enfriado (desde 305 °C) hasta 233,2 °C pero luego de alcanzar dicha temperatura no continuaron enfriándose si no por el contrario la temperatura empezó a incrementarse de manera sostenida hasta alcanzar el valor pico de 367,5 °C. Este incremento de temperatura es una indicación de que el fenómeno de Combustión Latente se estaba produciendo a 30 mm por encima de la placa calefactora y que debido a la porosidad del medio (pellets de madera cilíndricos) oxígeno (o aire) penetraba hasta ésta zona, a partir de la cual (en la parte interna del material) se empezó a propagarse.
El termopar ubicado a 60 mm por encima de la placa calefactora registró la temperatura máxima de 267,8 °C, a partir de la misma se registraron temperaturas menores. Luego de 3,7 horas (de retirar la fuente de calor) se pudo observar el segundo desbordamiento térmico a 60 mm por encima de la placa calefactora, los pellets de madera se habían enfriado (desde 267,8 °C en éste nivel) hasta 200,3 °C pero luego de alcanzar dicha temperatura no continuaron enfriándose si no por el contrario la temperatura empezó a incrementarse de manera sostenida. En la figura 6 se observan los resultados de las mediciones de temperatura y masa.
En la figura 6 se observan que el termopar ubicado en la parte superior no registra temperaturas altas como en ensayos anteriores en los que brazas fueron producidas, sin embargo se registran altos niveles de actividad (enfriamiento y calentamiento). Al efectuarse la combustión en la parte inferior (a 30 mm por encima de la placa calefactora) es evidente que el sistema va colapsando y que los pellets ubicados en la parte superior caen a medida que los pellets ubicados debajo han sido combustionados.
Fig. 7: La Combustión Latente es observada a 30 mm y 60 mm (Desbordamiento térmico)
En la figura 7 se observan las curvas de temperatura a 30 mm y 60 mm por encima de la placa calefactora así como el registro de masa del ensayo realizado. Durante la primera parte se realizó el calentamiento de los pellets de madera, lo cual implicó una pérdida de masa sustancial, al principio por el secado pero luego se produjo una pirolisis forzada de los pellets de madera, durante esta etapa una gran cantidad de diferentes compuestos pueden ser generados, [5] luego de que la fuente de calor es retirada se observa que la masa permanece aparentemente constante, con la finalidad de poder analizar mejor estos datos se elaboró la figura 8 donde se muestra la variación de la masa durante 2 horas (una hora antes y una hora después de que se produjera el primer desbordamiento térmico.
Fig. 8: Desbordamiento térmico es producido con escasa variación de masa
Durante este periodo de 2 horas la derivada de la masa con respecto al tiempo fue calculada mediante métodos numéricos de acuerdo con la Ec. (1) y los valores encontrados son próximos a cero, existiendo picos, un pico positivo de 0,25x10-3 kilogramos por segundo y un pico negativo de -0,15x10-3 kilogramos por segundo; gran
parte de los valores obtenidos se encuentran entre -0,05x10-3kilogramos por segundo y 0,05x10-3kilogramos por
segundo lo cual evidencia que durante el inicio del proceso de Combustión Latente la masa permanece prácticamente constante. Luego de ello y tal como ha sido descrito el fenómeno de Combustión Latente ocurre tan lentamente que como en el caso del presente ensayo y luego de 17,5 horas de haberse producido el primer desbordamiento térmico todavía quedaban 0,8 kg de pellets, es decir sólo se había consumido el 42,86% de la masa de pellets usada en el ensayo.
1 2
1 2
t t
m m
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m t t
Es importante precisar que durante este ensayo donde la Combustión Latente se inicia en el interior de la masa de pellets ensayada, ningún signo externo o evidente se puede observar en la superficie de los pellets colocados en la tubería de acero, lo único apreciable es un ligero olor a humo que fácilmente puede pasar desapercibido, en ello radica la importancia de estudiar este fenómeno dada su peligrosidad y su difícil detección.
CONCLUCIONES
1. Los pellets de madera, se comercializan en la Unión Europea y son fuente de energía renovable, sin embargo se conoce muy poco acerca de los límites en los cuales éste nuevo combustible puede iniciar la combustión.
2. Diferentes ensayos deben de ser conducidos con la finalidad de determinar las condiciones límites o de frontera (temperatura y concentración de oxígeno) bajo los cuales los pellets de madera pueden iniciar un proceso de combustión latente auto sostenida.
3. La configuración ensayada (sistema parcialmente cerrado con ventilación natural superior) permiten establecer que el desbordamiento térmico ocurre a temperaturas de 233,2 °C y 200,3 °C entre 30 mm y 60 mm por encima de la placa calefactora los mismos que indican que la combustión latente en pellets de madera (configuración antes señalada) se puede auto sostener a temperaturas entre 200,3 °C y 233,2 °C. 4. Se espera que en ensayos posteriores y que requieren de mayor infraestructura se pueda determinar la
concentración mínima de oxígeno requerido para poder sostener la combustión latente, estos ensayos se han planteado como parte de investigación a realizar en el futuro.
5. Ensayos posteriores determinaron que bajo la configuración ensayada existe una cantidad de masa de pellets (y por ende una altura de masa de pellets por encima de la placa calefactora) que permiten que el fenómeno de combustión latente se presente. Los aspectos relacionados con la cinemática de la capa, donde la combustión latente en pellets de madera se producen, aún no han sido estudiados.
6. Cantidades pequeñas de pellets de madera (alturas sobre la placa calefactora inferior a 90 mm) no presentaron el fenómeno de combustión latente, se presume que el sistema de ensayo produce demasiadas pérdidas de calor, razón por la que la combustión latente no puede auto sostenerse, debido a que el calor generado es menor que las pérdidas de calor, produciéndose el enfriamiento de la reacción.
REFERENCIAS
1. G. Rein, J.L. Torero, J. Ellzey, Estudio Númerico de Combustion Latente en flujo directo, Revista Internacional de Métodos Numéricos para Cálculo y Diseño en Ingeníeria, Vol 18, 4, 459–474, 2002 2. T.J. Ohlemiller, Smoldering Combustion, (SFPE Handbook of Fire Protection Engineering, 3rd ed.,
Massachusetts, pp. 2.200–2.210), 2002,
3. G. Rein, Smoldering Combustion, (SFPE Handbook of Fire Protection Engineering, 4th ed., pre-publication 2015)
4. E. Bjørnstad, R. Sand, Erfaring med bruk av pelletskamin I norske husholdninger, Trøndelag Forskning og Utvikling (Trøndelag R&D Institute), 2007
5. C. Di Blasi, Kinetics and Modeling of Biomass Pyrolysis, Fast Pyrolysis of Biomass a Handbook V. 3 2005 6. Comunicaciones personales con Ragni Fjellgaard Mikalsen del SP Fire Research AS en Trondheim, 2015. 7. B.C. Hagen, V. Frette, G. Kleppe, B. J. Arntzen, Onset of smoldering in cotton: Effects of density, Fire
Safety Journal 46 pp. 73-80, 2011
UNIDADES Y NOMENCLATURA
m masa de pellets de madera en gramos (gr)
t tiempo registrado en segundos (s)
AGRADECIMIENTOS
