Diseño y construcción de cámara de combustión para análisis y optimización de la combustión de carbón mineral granulado

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(1)PROYECTO DE GRADO:. Diseño y construcción de cámara de combustión para análisis y optimización de la combustión de carbón mineral granulado. Autor: Alejandro Chacón Bernal 200021253. Profesor asesor: Rafael Beltrán Pulido MSc.. Universidad de los Andes Facultad de ingeniería.

(2) IM -2005-II-07. Departamento de Ingeniería Mecánica Bogotá, Enero de 2006 INDICE 1. Justificación ______________________________________________________________ 4 2. Objetivos _________________________________________________________________ 6 3. Análisis del proceso de combustión del carbón mineral granulado __________ 7 3.1 Información básica acerca del carbón mineral ____________________ 7 3.2 Cálculos previos de poder calorífico _______________________________ 9 3.3 Relación aire / combustible _______________________________________ 10 3.4 Combustión del gránulo de carbón ________________________________ 11 3.5 Modelamiento del proceso de combustión de carbón mineral ______ 13 4. Diseño de la cámara de combustión ______________________________________ 21 4.1 Investigación y escogencia del tipo de quemador a construir ______ 21 4.1.1 Tipos de quemadores de lecho fijo _______________________ 22 4.1.2 Quemadores de flujo descendente _______________________ 22 4.1.3 Quemadores de flujo ascendente ________________________ 24 4.1.4 Tipos de alimentación de combustible en quemadores de flujo de aire ascendente ______________________________________ 25 4.1.4.1 Quemador de alimentación ascendente de combustible ___________________________________________ 25 4.1.4.2 Quemador de alimentación por flujo Cruzado de combustible _______________________________ 25 4.1.4.3 Quemador de flujo descendente de combustible_ 26 4.2 Escogencia de los materiales del quemador _______________________ 28 4.3 Dimensionamiento de las partes básicas del quemador ____________ 31 4.4 Cálculos para aproximación de generación de energía y consumo de carbón ___________________________________________________________ 32 5 Construcción de la cámara de combustión _________________________________ 33 6 Encendido y pruebas del quemador ________________________________________ 38 7 Conclusiones ______________________________________________________________ 44 8 Recomendaciones ________________________________________________________ 46 9 Anexos ___________________________________________________________________ 48 10 Bibliografía _______________________________________________________________ 50. 2.

(3) IM -2005-II-07. INDICE DE GRÁFICAS, TABLAS Y FIGURAS Tabla 1 – Clasificación del carbón ___________________________________________ 8 Tabla 2 – Aire en exceso ____________________________________________________ 12 Tabla 3 – Calibración soplador principal _____________________________________ 37 Tabla 4 – Calibración soplador secundario ___________________________________ 37 Tabla 5 – Valores típicos de emisiones _______________________________________. 41. Tabla 6 – Comparación de emisiones ________________________________________ 43 Figura 1 – Poder calorífico del carbón ________________________________________ 8 Figura 2 – Esquema de combustión del gránulo _______________________________ 13 Figura 3 – Proporción de las especies ________________________________________ 15 Figura 4 – Flujo de las especies ______________________________________________ 16 Figura 5 – Esquema de quemador de flujo descendente ______________________ 23 Figura 6 – Vista en corte de quemador de flujo descendente __________________ 23 Figura 7 – Esquema de quemador de flujo ascendente ________________________ 24 Figura 8 – Vista en corte de quemador de flujo cruzado de combustible _______ 26 Figura 9 – Esquema de quemador de flujo descendente de combustible ______ 27 Figura 10 – Temperatura de funcionamiento y ejemplo de ladrillo de sílice ____. 29. Figura 11 – Kaowool ________________________________________________________ 29 Figura 12 – Soplador centrífugo ______________________________________________ 31 Figura 13 – Quemador _______________________________________________________ 34 Figura 14 – Soporte quemador _______________________________________________ 35 Figura 15 – Soplador secundario _____________________________________________ 36 Figura 16 – Foto del quemador en funcionamiento ____________________________ 39 Figura 17 – Foto del quemador en funcionamiento ____________________________ 39 Figura 18 – Temperatura de combustión ______________________________________ 40 Figura 19 – Emisiones del quemador _________________________________________ 41 Figura 20 – Emisiones del quemador _________________________________________ 42 Gráfica 1 – Gráfica de flujo de soplador principal ____________________________ 37 Gráfica 2 – Gráfica de flujo de soplador secundario __________________________ 38. 3.

(4) IM -2005-II-07. 1 JUSTIFICACIÓN La justificación principal para la realización de este proyecto fue la de poder determinar las diferentes causas que afectan la correcta y completa combustión del carbón mineral granulado – logrando de esta manera, una solución válida y aplicable a las necesidades de la pequeña industria. Esta solución se ha buscado durante algún tiempo, ya que el carbón mineral granulado se consigue en el mercado a un precio bastante más económico que el carbón pulverizado – que se usa comúnmente en la industria, especialmente en calderería. La principal razón por la cual el carbón pulverizado es mas costoso que el granulado es el proceso de molienda que es necesario para poder obtener un tamaño de grano muchísimo menor. Debido a que el costo es mucho menor, el proyecto podría convertirse en una solución para las pequeñas empresas, en donde el ahorro sería considerable. Otra de las razones por la cual se decidió emprender este proyecto fue la de poder encontrar una solución viable que utilizase un combustible tan abundante en nuestro país como lo es el carbón mineral. De esta manera se garantiza que el esfuerzo hecho en la construcción del quemador sea aprovechado durante un largo tiempo, dadas las reservas carboníferas nacionales. Igualmente, según cifras de investigación de la empresa Babcock & Wilcox 1, la distribución del consumo de carbón mineral se encuentra muy enfocada a la generación de energía, con un 60%, y sólo un 15% de la producción es destinada a las pequeñas empresas y al uso doméstico. Esto significa que hay oportunidades de ex plotar el mercado de las pequeñas empresas para que comiencen a consumir carbón mineral.. Adicionalmente, dada la crisis actual del sector petrolero y la gran susceptibilidad de los precios de este combustible, es interesante poder encontrar un combustible diferente al ACPM o al Kerosene que se consume actualmente en la industria nacional. Igualmente, según estudios2, al ritmo actual de ex plotación, Colombia tiene reservas probadas para. 1. STULTZ, S. C. & KITTO, J. B. (editores), Steam: Its Generation and Use, 40th Ed. , Babcock & Wilcox, Barberdon , OH, 1992 Pág. 8-2 2. GIRALDO MESA, Magdalena, Estudio de la evolución de las propiedades termofísicas de carbones colombianos durante el proceso de combustión; Tesis de grado, Maestría en sistemas energéticos, Pontificia Universidad Bolivariana, Medellín, Colombia,2002. 4.

(5) IM -2005-II-07. aprox imadamente trescientos años, lo que indica que el precio del carbón no va a ser vendido dentro del país a precios internacionales, al contrario de los combustibles derivados del petróleo. Finalmente este quemador de carbón mineral también fue realizado con la intención de que los estudiantes de Ingeniería M ecánica puedan seguirlo utilizando como herramienta de aprendizaje. El quemador fue hecho para que sirva de montaje para diversos laboratorios en donde se puedan medir variables térmicas y de emisiones al igual que también serviría para las clases de transferencia de calor.. 5.

(6) IM -2005-II-07. 2 OBJETIVOS. Análisis y especificación del proceso de combustión de carbón mineral granulado.. Diseño y escogencia de materiales necesarios para la construcción de una cámara de combustión para las pruebas.. Construcción satisfactoria de la cámara de combustión para la experimentación y el análisis del proceso de combustión de carbón mineral.. Determinación de las particularidades del proceso de combustión del carbón mineral granulado.. Puesta a punto del horno de combustión.. Realización de la pruebas para poder encontrar el punto óptimo de funcionamiento para la combustión de carbón mineral granulado.. 6.

(7) IM -2005-II-07. 3 ANÁLISIS DEL PROCESO DE COMBUSTIÓN DEL CARBÓN MINERAL GRANULADO 3.1 Información básica acerca del carbón mineral El carbón mineral es un material heterogéneo, el cual posee una gran cantidad de elementos químicos, los cuales van cambiando dependiendo del tipo de terreno del cual fue ex traído. Esto ex plica porque el carbón del Cerrejón es diferente al que se consigue en Cundinamarca, siendo cada uno de los carbones casi único. El mineral está compuesto principalmente por Carbono, Hidrógeno y Ox ígeno, con Azufre y Nitrógeno en menores cantidades, pero ex isten muy pequeñas cantidades de otros elementos que forman cenizas después de la combustión. Algunos de los carbones minerales cuando son quemados tienden a plastificarse y producen alquitranes, licores y gases, dejando un residuo llamado Coque. Otros carbones en vez de dejar Coque como residuo, dejan una carbonilla desmoronable. El carbón mineral se origina de la acumulación de madera y otros tipos de biomasa que con el tiempo fueron cubiertos por capas de tierra, compactando la masa y luego petrificándola en un periodo de cientos de miles de años. Dependiendo del tipo de tierra y otros materiales que cubrieran al carbón, éste cambiaba sus características internas por medio de la difusión de las partículas. Entre más profundo se encontrara el carbón,menor cantidad de humedad se encontraría, reflejándose en una mayor cantidad de carbono. Esta cantidad, en porcentaje, de carbono fijo ha creado un sistema de clasificación del carbón mineral que se utiliza actualmente. La clasificación se hizo teniendo en cuenta el poder calorífico de cada carbón, el cual es proporcional a la cantidad de carbono fijo que se encuentra dentro del mineral. Éstos son clasificados desde carbón de Bajo Rango hasta la Antracita, la cual tiene el mayor poder calorífico. Para el proyecto se decidió utilizar carbón mineral del Altiplano Cundiboyacense, más específicamente de Lenguazaque, ya que es el carbón más fácil de conseguir en la cuidad de Bogotá e igualmente para posteriores pruebas va a ser más fácil poder reproducir los resultados iniciales. Según estudios químicos, el carbón de esta región es catalogado como bituminoso según su composición. A continuación se presenta la Tabla 1, donde se muestran los diferentes rangos de los carbones dependiendo de su contenido de carbono fijo y de su poder calorífico.. 7.

(8) IM -2005-II-07. Tabla 13 (Fuente: Borman) Clasificación del carbón. Figura 14 (Fuente: Borman) Poder calorífico del carbón. De la Tabla 1 y de la Figura 1 se evidencia que el carbón utilizado en el proyecto tiene un poder calorífico de más de 14,000 Btu/lbm . Según un análisis químico previo (Fuente: Giraldo [1]), el carbón mineral de la región en cuestión tiene la siguiente composición química en fracción de masa:. 3 4. BORMAN, Gary , Combustion Engineering, McGraw Hill Ed. , Boston, MA 1998, Table 2.18, Pg. 52 BORMAN, Gary , Combustion Engineering, McGraw Hill Ed. , Boston, MA 1998, Fig 2.5, Pg. 52. 8.

(9) IM -2005-II-07. C: 86.21% H: 5.51% O: 5.16% N: 1.86% S: 1.26% 3.2 Cálculos previos de poder calorífico Para poder tener una idea de cómo va a comportarse el carbón dentro de la cámara de combustión y tener un rango de energía liberada, fue necesario hacer una serie de cálculos. Primero es necesario poder encontrar el poder calorífico teórico, HHV por sus siglas en inglés (Higher Heating Value), por medio de la fórmula de Dulong, la cual es:. GCV = HHV = (337 × %wt(C)) + (1,442 × (%wt(H) -. HHV = (337 × 86.21) + (1,442 × (5.51 -. HHV = 36,185.28. %wt(O) )) + (93 × %wt(S)) 8. 5 .16 )) + (93 × 1.26) 8. kJ kg. Ecuación 1 Ahora para poder comprobar con la Tabla 1 del tex to de Borman5, es necesario convertir las unidades a sistema inglés.. HHV = 36,185.28. kJ Btu = 34,296.76 kg kg. HHV = 15,561 .14. 5. Btu lb masa. BORMAN, Gary , Combustion Engineering, McGraw Hill Ed. , Boston, MA 1998. 9.

(10) IM -2005-II-07. Por lo que se puede ver, el valor del poder calorífico obtenido mediante los cálculos muestra que el carbón utilizado se encuentra dentro del grupo de los carbones bituminosos. M ás específicamente en el tipo de carbones bituminosos de alta volatilidad tipo A.. 3.3 Cálculo de relación aire / combustible Para poder hacer el cálculo de la relación aire / combustible fue necesario tomar el modelo que se encuentra ex plicado en el libro de Termodinámica de van Wylen6, en donde es necesario calcular primero la composición molal por cada 100kg. de combustible. Para obtener ese cálculo es necesario tener el porcentaje en peso de cada uno de los elementos y también el peso molecular de los mismos.. kmol S 100 kg. fuel kmol H 2 100 kg. fuel kmol O 2 100 kg. fuel kmol C 100 kg. fuel kmol N 2 100 kg. fuel. 1.26 =0.0393 32 5.51 = =2.755 2 =. =. 5.16 =0.1612 32. =. 86.21 =7.184 12. =. 1.86 =0.0664 28. Luego es necesario hacer las ecuaciones de equilibrio de donde podemos sacar la cantidad teórica de Ox ígeno necesaria para el proceso de combustión.. 6. VAN WYLEN, G. , SONNTAG, R. , BORGNAKKE, C. , Fundamentals of Classical Thermodynamics, Wiley , 1994. 10.

(11) IM -2005-II-07. Ecuaciones de equilibrio 0.0393 S + 0.0393 O 2. ¨ 0.0393 SO 2. 1 2.755 H 2 + 2.755( ) O 2 2 7.184 C + 7.184 O 2. 0.0393 +. ¨ 2.755H 2O. ¨ 7.184 CO 2. 2.755 + 7.184 = 8. 6 kmol de O 2 para 100kg. de combustible 2 - 0.1612 kmol de O 2 dentro del combustible 8.4396 kmol de O 2 proporcionados por el aire. Ecuación 2 Ahora se toma el valor de los kmol de O2 proporcionados por el aire para poder obtener la relación teórica de aire / combustible.. [8.4396 + (8.4396 × 3.76)] × 28.97 100 kg. aire = 11 .63 kg. combustible. AFteórica = AFteórica. Ecuación 3 Donde 28.97 es el peso molecular del aire y 3.76 es la cantidad de moles de Nitrógeno por cada mol de Ox ígeno presente. Como se dijo anteriormente, estos cálculos son simplemente para dar un rango de funcionamiento del proceso de combustión del carbón mineral, ya que estos cálculos no toman en cuenta la cantidad de ceniza y otras impurezas presentes en el carbón. Lógicamente, en la realidad la energía suministrada por el carbón va a ser menor debido. 11.

(12) IM -2005-II-07. a que en funcionamiento normal, el carbón utilizado no va a estar ex ento de impurezas. Se. ha. determinado. que. el carbón proveniente. de. Cundinamarca contiene. aprox imadamente 8% de ceniza en peso, lo que supondría una disminución del porcentaje en peso de los otros elementos. Esta caída del porcentaje en peso de los elementos hace que la cifra de HHV obtenida anteriormente se convierta en algo más cercano a 31,000 kJ/kg.. 3.4 Combustión del gránulo de carbón Para el proceso de combustión, como se vio anteriormente, la relación de aire / combustible para este tipo de carbón es de 11.63, pero en la realidad es bastante complicado obtener la relación perfecta por diversas variables. En este caso, como el tamaño del carbón es bastante grande (granos del orden de 2 y 3 cms.), la mezcla ideal calculada anteriormente no es la que funciona correctamente en el proceso y es necesario alimentar una cantidad de aire adicional para que el carbón se queme de manera ideal y completa. Esto sucede ya que los granos de carbón se van aglomerando y compactando, es más complicado hacer que fluya aire rico en Ox ígeno por toda el área perimetral para que el grano se queme uniformemente. Según Babcock y Wilcox (Fuente: Babcock & Wilcox [2]) para un tamaño de grano grueso, la cantidad de aire en ex ceso debe estar entre 25% y 35% por encima del número obtenido por medio del cálculo teórico. A continuación se presenta la Tabla 2 con los datos de aire en ex ceso para la combustión de carbón de lecho fijo.. 12.

(13) IM -2005-II-07. Tabla 27 (Fuente: Babcock & Wilcox) Aire en exceso. 3.5 Modelamiento del proceso de combustión del carbón mineral Para poder entender mejor lo que ocurre en el proceso de combustión del carbón mineral granulado es útil observar el siguiente esquema del libro de Turns8, en donde se muestran las reacciones homogéneas y heterogéneas que ocurren cerca de la superficie del grano.. 7. STULTZ, S. C. & KITTO, J. B. (editores), Steam: Its Generation and Use, 40th Ed. , Babcock & Wilcox, Barberdon , OH, 1992. pg. 52 8 TURNS, Stephen R. , An Introduction to Combustion, McGraw Hill Ed. USA, 2000. 13.

(14) IM -2005-II-07. Figura 29 (Fuente: Turns) Esquema de combustión del gránulo. En el esquema se puede ver que en la región de la capa límite, las reacciones químicas que ocurren se refieren principalmente a ataques que recibe la superficie del carbón. Los reactantes que allí se presentan son H2O, CO 2, y O 2 y éstos actúan dependiendo de la temperatura a la cual se encuentra la superficie del grano. El producto principal en la superficie del grano es CO (como se puede ver en tres de las cuatro reacciones químicas) comienza a fluir hacia fuera en donde se combina con el O2 que llega del aire forzado. Para poder tener una idea de lo que le sucede al carbón mineral en proceso de quemado, es necesario poder modelar la combustión del carbón mineral, como se ex plica en el tex to de Turns10. Según el autor, en un principio, el modelamiento de la ox idación del carbón (principal reacción química en la combustión del carbón mineral) se podría resolver mediante la solución de las ecuaciones de conservación Estas ecuaciones son las de conservación de masa, conservación de especies y de conservación de energía, las cuales tienen que definirse en la superficie del grano de carbón y también en la zona de flujo libre. El requisito de esta suposición es que la superficie del material que se está ox idando debe ser lisa e impermeable, pero el carbón mineral es un material poroso por el cual se difunden otros elementos en ciertas condiciones. 9. TURNS, Stephen R. , An Introduction to Combustion, McGraw Hill Ed. USA, 2000 Chapter 14, Pg. 523 TURNS, Stephen R. , An Introduction to Combustion, McGraw Hill Ed. USA, 2000 Chapter 14, Pg. 524. 10. 14.

(15) IM -2005-II-07. Dadas las condiciones, es necesario hacer una aprox imación y modelar la ox idación del mineral como si este fuese un material por el cual no se pueden difundir otras partículas. Dependiendo de la precisión que se desee obtener, ex isten dos modelos. El primero de ellos es llamado de “película sencilla”, en donde se supone que no ex iste una llama en la fase gaseosa del proceso y que a su vez, la máx ima temperatura se encuentra en la superficie del grano de carbón. La segunda aprox imación es llamada de “película doble”, ya que se supone que una película de llama se encuentra a una distancia “x” de la superficie y en este punto, el CO producido en la superficie se mezcla con el Ox ígeno proveniente del aire. El segundo modelo es el que más precisión tiene ya que en este caso, se dice que el Carbono es ox idado y se transforma en monóx ido de carbono en vez de transformarse en dióx ido de carbono. En este modelo, la superficie entra en contacto con CO2 de acuerdo a la reacción. C + CO 2. ¨2CO , en donde el monóx ido de carbono se difunde hacia el. ex terior y se consume luego en la película de llama. En el punto donde se encuentra la llama, el CO se combina con el O 2 que proviene del ex terior. La temperatura se dice que es máx ima en la llama. A continuación se presenta el esquema de las fracciones de masa de las especies y de las temperaturas de acuerdo a la distancia a la que se encuentran de la superficie del grano de carbón.. 15.

(16) IM -2005-II-07. Figura 311 (Fuente: Turns) Proporción de las especies. De la anterior figura se puede ver como es que las especies van cambiando su proporción a medida que éstas se van alejando de la superficie del grano. Se puede ver como se supone una temperatura de superficie estable y como ésta comienza a aumentar cuando se va llegando a la llama y luego va disminuyendo hasta que se llega a la temperatura ambiente. Igualmente, el CO va disminuyendo en concentración y cuando llega a la llama, reacciona con el Ox ígeno del ambiente, mientras que el dióx ido de carbono aumenta y llega a un máx imo en la posición de la llama y luego disminuye con la distancia. En lo que refiere a los flujos másicos del carbón cuando éste se consume, es necesario ver los balances estequiométricos en la superficie del grano y también en la llama para poder tener una referencia completa de lo que sucede. En la siguiente figura esquemática se pueden ver los flujos másicos en las diferentes posiciones.. 11. TURNS, Stephen R. , An Introduction to Combustion, McGraw Hill Ed. USA, 2000, Fig 14.7, Pg. 536. 16.

(17) IM -2005-II-07. Figura 412 (Fuente: Turns) Flujo de las especies La Figura 4 se relaciona con la Figura 3, ya que de allí se sabe que sentido de flujo tienen las especies.. Se puede ver de la Figura 4 que la reacción química que ocurre en la. superficie es: .. .. .. m C = m CO - m CO 2 int erna Ecuación 4 M ientras que en la zona de la llama la reacción es la siguiente: .. .. m CO = m CO2 .. .. interna - m CO2 .. m C = m CO2. .. llama - m O2 .. llama. - m O2. Ecuación 5 Ahora para poder tener la magnitud de los flujos másicos, se debe hacer una relación estequiométrica en donde se puedan relacionar los pesos atómicos de cada una de las especies.. 12. TURNS, Stephen R. , An Introduction to Combustion, McGraw Hill Ed. USA, 2000, Fig 14.8, Pg. 537. 17.

(18) IM -2005-II-07. 1 kg C + ν s kg CO 2. ¨(νs + 1) kg CO. 1 kg C + ν f kg O 2. ¨(νf + 1) kg CO 2. Ecuación 6 En donde v s es:. νs =. 12.01 + 2(16) 44.01 = = 3.664 12. 01 12.01 Ecuación 7. y v f = v s – 1= 2.664. Por lo tanto las magnitudes de los flujos másicos de las especies son las siguientes:. .. .. m CO2 int erna = νs m C .. .. .. m O2 = νf m C = (νs - 1) m C .. .. m O2 = 2.664 m C .. .. .. m CO2 llama = (νf + 1) m C = νs m C .. .. m CO2 llama = 3.664 m C Ecuación 8 Ahora el problema se resume a poder encontrar el flujo másico de cualquiera de las especies. Para esto es necesario utilizar la Ley de Fick para la difusión de partículas,la cual se presenta a continuación para este tipo de casos. Hay que tener en cuenta que van a haber dos ecuaciones de Fick, una para la superficie de grano y la segunda para la zona de llama.. 18.

(19) IM -2005-II-07. .. .. .. - m"CO2 int erna = YCO2 int erna(- m". CO2 int erna. - m"O2 ) - ρD ×. δYCO2 int erna δr. Donde .. .. m"CO2 ×4πr 2 = m CO2 Ecuación 9 Para la superficie de grano, mientras que la ecuación para la zona de llama es: .. .. .. m"CO2 llama = YCO2 llama(m"CO2 llama- m"O2 ) - ρD ×. δYCO2 llama δr. Ecuación 10. Igualmente se tienen que tener en cuenta los signos de los flujos másicos ya que según la Figura 4 las especies que fluyen hacia dentro tienen signo negativo, mientras que las que van saliendo, poseen el signo positivo. Ahora es necesario tomar las conversiones que van a permitir reemplazar los términos del dióx ido de carbono y el ox ígeno para que todo funcione con los parámetros de m c . Las conversiones son las siguientes:. .. .. m CO2 int erna = νs m C .. .. .. m O 2 = νf m C = (νs - 1) m C .. .. .. m CO2 llama = (ν f + 1) m C = νs m C Ecuación 11. 19.

(20) IM -2005-II-07. Haciendo el reemplazo de las conversiones se tiene el siguiente procedimiento: .. .. .. δYCO2 int erna - νs m C (νs - 1) m C ( ) ρ D × 4π r 2 4πr 2 δr. - νs m C = YCO2 4π r 2. .. .. - νs m C =. .. - YCO2 / 4π /r /2νs m C. (. -. 2 4π / /r /. .. .. YCO2 4 /π /r / 2(ν s - 1) m C. .. 2 4π / /r / .. - νs m C + Y νs m /CO2 ν /s m / C- Y /CO2 / / C + YCO2 m C = -ρ D × .. .. - ν s m C + YCO2 m C = -ρD × .. mC =. δ YCO2 int erna δr. ) - ρD ×. δ YCO2 int erna δr. δYCO2 int erna δr. × 4πr 2. × 4π r 2. δYCO2 int erna - ρD × × 4πr 2 YCO2 + νs δr Ecuación 12. Con las siguientes condiciones iniciales:. YCO2(r)sup erficie = YCO2. sup erficie. YCO2(r)llama = YCO2 llama Ecuación 13 El mismo proceso ocurre con la Ley de Fick para la zona de llama, sino que el resultado final tiene unas pequeñas diferencias. .. mC =. δYCO2 llama - ρD × × 4πr 2 (-YCO2 + νs ) δr Ecuación 14. 20. × 4π r 2.

(21) IM -2005-II-07. Con las siguientes condiciones iniciales:. YCO2(r)llama = YCO2 llama YCO2(r. ¨ ‡) = 0. Ecuación 15 Finalmente es necesario hacer una tercera ecuación diferencial de difusión para el gas inerte, el cual en este caso es N2. .. mC. 4πr2ρD dY1 = Y1 dr Ecuación 16. Con las siguientes condiciones iniciales:. Y1(rllama ) = Y1, llama Y1(r. ¨ ‡) = Y1,. ‡. Ecuación 17 Ahora, si es necesario integrar las tres ecuaciones obtenidas en cada una de sus condiciones iniciales. A continuación se muestran las tres integrales y las cinco incógnitas con las que se está manejando el problema. .. .. mC. .. mC. YCO2,llama 1+ r r νs = 4π( sup . llama )ρ D × ln( ) YCO2,sup . rllama - rsup. 1+ νs Y = -4πrllama ρD × ln(1 - CO2,llama ) νs .. (. Y1, llama = Y1, ‡ × e. -mC ) 4πrllamaρD. Ecuación 18. 21.

(22) IM -2005-II-07. Para poder solucionar el problema de tener mas incógnitas que ecuaciones, es necesario tomar el siguiente atajo, haciendo una sustitución la cual va a permitir una fácil manipulación de las ecuaciones. El siguiente ejemplo muestra la sustitución realizada. .. mC = -4πrllamaρD × ln(1 + XCO ) 2. Donde νs - 1 )YCO , sup. νs = ν -1 νs - 1 + ( s )YCO ,sup. νs 2YO , ‡ - (. XCO. 2. 2. 2. 2. Ecuación 19 Claro que se ve en el papel que para resolver esta ecuación es necesario hacer un proceso iterativo para poder hallar la respuesta deseada. Dada la gran complejidad de este procedimiento y que aún así es una aprox imación a la realidad, para este proyecto se decidió calcular el consumo de carbón de una manera más sencilla. Lo que se demostró anteriormente fue simplemente para que el lector pueda comprender más profundamente como es que funcionan los modelos de combustión para sólidos y más específicamente el del carbón mineral. Después de la ex plicación del diseño y la construcción, se ex plicará la aprox imación que se tomó para calcular cuanto carbón se necesitaría suministrar al horno para obtener el funcionamiento ideal. 4 DISEÑO DE LA CÁMARA DE COMBUSTIÓN 4.1 Investigación y escogencia del tipo de quemador a construir Para la cámara de combustión se estudiaron diversos modelos que se utilizan hoy en día para la obtención de energía. Se encontraron modelos de gran escala, como los que se utilizan en la generación de energía. De allí se pueden clasificar varios modelos dependiendo de las variaciones que tengan en cuanto al sistema de suministro de combustible, de aire ó también al diseño general de la parrilla. Igualmente se estudiaron. 22.

(23) IM -2005-II-07. modelos de tamaño mucho más pequeños, como los que se utilizan en el calentamiento de hogares. La primera decisión que se tomó con el profesor asesor es que el quemador iba a ser uno de lecho fijo para mayor facilidad de construcción y también un menor costo. Lo segundo era poder estudiar las ventajas y desventajas de cada uno de los diseños para poder tener una idea clara de las características principales de la cámara de combustión a realizar. El último paso fue construir el quemador.. 4.1.1 Tipos de quemadores de lecho fijo En lo que se refiere a los quemadores de lecho fijo, ex isten dos variaciones principales,las cuales especifican el flujo de aire – y son los de flujo ascendente y los de flujo descendente.. 4.1.2 Quemadores de flujo descendente Si se miran las ventajas del quemador de flujo descendente, pueda que hubiese sido mejor para esta aplicación ya que según sus fabricantes es ideal para hogares y pequeñas empresas. Entre sus ventajas se encuentra que las emisiones son más reducidas, especialmente en lo que refiere a las emisiones de particulados. Por otro lado,se dice que al tener el punto de combustión completa en la parte inferior del quemador, no es necesario el suministro continuo y preciso de carbón para su funcionamiento. El principio consiste en hacer que el aire entre por la parte lateral superior de la cama de carbón y el aire secundario es suministrado en la parte más cercana a la malla, logrando allí la combustión completa del carbón. La llama va subiendo por conducción y radiación a lo alto de la cama de carbón pero llega a una posición límite, mientras que los gases salen por un lado. A continuación se muestra una vista en corte de este tipo de quemador.. 23.

(24) IM -2005-II-07. Figura 513 Esquema quemador de flujo descendente. Figura 614 Vista en corte de quemador de flujo descendente. 13 14. BORMAN, Gary , Combustion Engineering, McGraw Hill Ed. , Boston, MA 1998, Fig. 15.18, Pg. 501 BORMAN, Gary , Combustion Engineering, McGraw Hill Ed. , Boston, MA 1998, Fig. 15.16, Pg. 499. 24.

(25) IM -2005-II-07. La razón primordial por la cual no se hizo este tipo de quemador es que la construcción es considerablemente más complicada. La colocación del ventilador de aire secundario es clave para un buen funcionamiento y cómo éste debe encontrase muy cerca de la malla y con bastante carbón por encima, era muy complicado hacer que el ducto de ventilación no se tapase. Además la acumulación de cenizas – ya que hacer que la parrilla se sacuda y elimine las cenizas es muy complicado a pequeña escala – haría que el quemador no funcionara por un tiempo prolongado.. 4.1.3 Quemadores de flujo ascendente El diseño básico del quemador fue tomado con base en los diseños que se utilizan en grandes plantas de generación de energía, pero obviamente eliminando ciertos accesorios que no son necesarios a esta escala y que igualmente son ex tremadamente complicados y costosos de realizar. En la siguiente figura se puede se puede apreciar de forma esquemática su funcionamiento básico.. Figura 715 Esquema de quemador de flujo ascendente. 15. BORMAN, Gary , Combustion Engineering, McGraw Hill Ed. , Boston, MA 1998, Fig. 15.7, Pg. 484. 25.

(26) IM -2005-II-07. De aquí se puede observar que el aire principal cumple una serie de funciones que no solo se reducen a avivar la llama. Primero que todo, el aire ox ida la carbonilla y luego seca el carbón. El aire secundario tiene la misión de completar la combustión y reducir ostensiblemente las emisiones nocivas hacia el ex terior. Este tipo de quemadores son diseñados para que el lecho de carbón mineral no sea muy profundo. De esta manera la caída de presión a lo largo del lecho es constante (ya que por ser poco profunda no se forma el típico cono invertido) y el control del aire de combustión es mucho más fácil y preciso. Igualmente al ser un lecho de carbón poco profundo, ex iste una menor necesidad de flujo de aire, ya que no tiene que atravesar tanto material y no se forma tanta turbulencia – reduciendo el tamaño de los ventiladores y por lo tanto el costo total del quemador. Dado que el lecho es poco profundo y necesita tener un tamaño constante, es necesario tener un sistema de alimentación constante y preciso.. 4.1.4 Tipos de alimentación de combustible en quemadores de flujo de aire ascendente 4.1.4.1 Quemador de aliment ación ascendent e de combust ible En cuanto a los sistemas de alimentación, ex isten tres variedades, dependiendo de la forma o la dirección en la cual el carbón es suministrado. Ex isten los de alimentación ascendente, flujo cruzado y de flujo descendente de combustible. El sistema de alimentación de flujo ascendente, el combustible y el aire van en la misma dirección. El combustible es empujado por un alimentador, usualmente de tornillo, hacia el lecho. La humedad del carbón se va reduciendo a medida que el grano se acerca a la zona de llama, mientras que los volátiles van escapando a medida que sube la temperatura. En este caso, el lecho de combustible tiende a ser mucho más profundo que en los otros dos modelos. 4.1.4.2 Quemador de aliment ación por flujo cruzado de combust ible En el caso del quemador de flujo cruzado, el combustible es suministrado a una parrilla inclinada (el combustible se coloca en la parte más alta de la parrilla) la cual vibra para estimular el movimiento del carbón hacia abajo. Este tipo de quemador consiste de tres fases principales: la primera es la zona de ignición, luego está la zona de quemado y por último se tiene la zona de descarga de cenizas. En la zona de ignición, el quemador tiene. 26.

(27) IM -2005-II-07. unos arcos recubiertos de material refractario, el cual refleja el calor suministrado por la llama del carbón que ya se encuentra en combustión. Este reflejo de calor hace que el carbón húmedo sea encendido con facilidad, asegurándose una combustión completa al final del ciclo. El flujo de aire primario (que fluye a través de la parrilla) va variando a lo largo de la parilla, ya que hay más carbón presente en la parte superior que en la parte inferior de la misma. Este tipo de combustores ha sido diseñado especialmente para poder quemar de manera completa diferentes tipos de combustibles sólidos, pero más específicamente aquellos que son bastante húmedos, como desechos orgánicos. La razón principal por la cual este tipo de quemador no se construyó fue porque es bastante complicado, especialmente en lo que se refiere a la fabricación de las paredes del horno, ya que necesita los arcos refractarios, y también la parrilla vibratoria es muy complicada de realizar de manera satisfactoria. A continuación se muestra una imagen de un quemador de flujo cruzado.. Figura 816 Vista en corte de quemador de flujo cruzado de combustible. 16. BORMAN, Gary , Combustion Engineering, McGraw Hill Ed. , Boston, MA 1998, Fig. 15.4, Pg. 481. 27.

(28) IM -2005-II-07. 4.1.4.3 Quemador de flujo descendent e de combust ible Finalmente se encontró el diseño más sencillo, y quizá el más utilizado en la industria – el quemador de flujo descendente de combustible. Este quemador en esencia es el más sencillo en lo que refiere a su construcción. En sus primeras iteraciones, este quemador sólo consistía de una parrilla, un recipiente refractario y dos ventiladores que suministraban el aire primario y secundario. Actualmente, se han modificado enormemente para aumentar la eficiencia del funcionamiento y ex traer la mayor cantidad de energía de la misma cantidad de carbón. La parrilla dejó de ser fija y se volvió una parrilla en constante movimiento para la eliminación de cenizas. Las entradas de aire fueron estudiadas y ahora funcionan como toberas para max imizar el flujo de aire hacia el carbón en combustión, y los materiales fueron evolucionando para poder tener una mayor durabilidad y menor pérdida de energía. El funcionamiento básico de este quemador es el siguiente. Primero, el carbón es suministrado por un alimentador y cae desde la parte superior del cilindro a la parrilla. Desde debajo de la parrilla, se suministra aire atmosférico en grandes cantidades para poder materializar la combustión, al igual que ox ida y seca la carbonilla. El aire secundario entra a la altura de la llama y ayuda a completar la combustión, así, eliminando una gran cantidad de emisiones nocivas al ambiente y aumentando la temperatura dentro de la cámara. Igualmente, este ventilador ayuda a suministrar el aire en ex ceso requerido para la combustión completa, ya que dependiendo del tamaño de grano, es necesario adicionar un aire en ex ceso de aquel calculado en la relación A/F. A continuación se muestra una figura que muestra las partes principales del quemador de flujo descendente de combustible.. 28.

(29) IM -2005-II-07. Figura 917 Esquema de quemador de flujo descendente de combustible. 4.2 Escogencia de los materiales del quemador Para la construcción del quemador fue necesario hacer una investigación previa para poder conocer las ventajas de cada uno de los materiales y poder ver cuales serían los más indicados para cumplir la labor. Igualmente era necesario poder determinar de la lista de posibles materiales, cuáles serían los más fáciles de conseguir y de menor costo. Primero se investigó el material que iba formar la cámara de combustión. Según el libro “The Principles of M aterials Selection for Engineering Design”18, los materiales mas adecuados para funcionar en aplicaciones tipo horno son la mulita, los ladrillos de magnesia y los ladrillos de sílice y semi-sílice. De acuerdo a esta información, se buscaron proveedores de cerámicos para hornos y el material más común en este caso era la semisílice. Según M angonon19, este material está compuesto de arcillas de sílice y contiene. 17. BORMAN, Gary , Combustion Engineering, McGraw Hill Ed. , Boston, MA 1998, Fig. 15.3, Pg. 481 MANGONON, Pat L. , The Principles of Materials Selection for Engineering Design, Prentice Hall, Upper Saddle River, NJ1999 19 MANGONON, Pat L. , The Principles of Materials Selection for Engineering Design, Prentice Hall, Upper Saddle River, NJ1999, pg, 657 18. 29.

(30) IM -2005-II-07. cristobalita en fase vidriosa. Contiene entre 18% y 25% de alúmina y entre 72% y 80% de sílice y trabaja perfectamente hasta aprox imadamente 1300°C. según el libro de Babcok & Wilcox 20 el tipo de carbón que se va a quemar produce un máx imo de temperatura en la cámara de entre 750°C y 800°C, como se evidencia en la figura que aparece a continuación (indicado por la flecha). Se dice que este material es débil mecánicamente, pero de bajo costo, pero dado que el material no va a estar sometido a esfuerzos mecánicos, este tema no era preocupante. En los anex os se encuentra la ficha técnica del material.. Figura 10 (Temperatura de funcionamiento y ejemplo de ladrillo de sílice)21. Después del material refractario era necesario colocar otro tipo de aislante térmico, el cual mantendría el quemador a una temperatura más estable y permitiría que los alrededores no se afectaran por el funcionamiento del horno. Según el proveedor de los materiales, la manta refractaria sería la más indicada para esta aplicación, dado que se utiliza para aislar muflas y otro tipo de hornos con resultados satisfactorios. Su nombre. 20. STULTZ, S. C. & KITTO, J. B. (editores), Steam: Its Generation and Use , 40th Ed. , Babcock & Wilcox, Barberdon , OH, 1992 STULTZ, S. C. & KITTO, J. B. (editores), Steam: Its Generation and Use , 40th Ed. , Babcock & Wilcox, Barberdon , OH, 1992; Fig. 10 pg. 8-8 21. Recuperado el 12 de enero de 2006 en http://www.matweb.com/search/SpecificMaterial.asp?bassnum=CGOUD058. 30.

(31) IM -2005-II-07. comercial es Kaow ool® y soporta hasta 1316°C de manera directa, lo que indica que el material no tendría problema en funcionamiento regular del horno. En la sección de anex os se encuentra la ficha técnica del material.. Figura 11 (Kaowool)22 Finalmente para terminar la etapa de aislamiento, era necesario conseguir un material que siguiera reduciendo la temperatura pero que no fuese tan costoso como la manta refractaria. En este caso se decidió utilizar fibra de vidrio, la cual no soporta tanta temperatura como la manta, pero a esta distancia del núcleo la temperatura no sería superior a los 150°C. Para darle forma y rigidez a la estructura, se escogió una lámina de acero de 2 mm. de espesor. Dado que los materiales de aislamiento no son muy pesados, la lámina no requería de mayor espesor. Para el soporte de todo el cilindro se decidió utilizar ángulo de acero para construcción de 10 cm. de lado – de esta manera asegurándose que toda la estructura se sostendrá sin problemas. Finalmente era necesario escoger los tipos de ventiladores que suministrarían el aire primario y secundario. Primero se pensó en utilizar ex tractores para las dos partes, conectándolos a la cámara de combustión por medio de ductos. Luego de pruebas iniciales, se determinó que los ex tractores no servían ya que los motores eran muy débiles y no lograban suministrar el aire necesario. Al final se decidió utilizar sopladores centrífugos en ambos casos. Los ventiladores tienen regulación de caudal mecánica, mediante una. 22. Recuperado el 11 de enero de 2006 de http://www.thermalceramics.com/products/kaowoolengfib.asp. 31.

(32) IM -2005-II-07. platina que abre o cierra el ducto de admisión a la turbina. A continuación se presentan las imágenes de los ventiladores.. Figura 12 Soplador centrífugo. 4.3 Dimensionamiento de las partes básicas del quemador Ya habiendo tomado una decisión acerca del tipo básico de quemador a utilizar, era necesario tener una idea aprox imada del tamaño del quemador y sus componentes para poder iniciar la fase de fabricación. En esta etapa fue necesario contar con la asesoría del profesor para tener pautas claras de lo que se debería hacer. Se acordó que la cámara de combustión iba a ser cilíndrica, por su facilidad de construcción y porque la distribución de carbón, aire y calor generado iba a ser uniforme. Se dijo que la cámara iba a tener dimensiones internas de entre 20cm. y 25 cm. Luego vendría una capa de Kaow ool®, la cual es una manta refractaria capaz de soportar hasta 1316°C según datos de M atw eb23. Después, para seguir aislando el quemador continua una capa de fibra de vidrio de mayor espesor que la de Kaow ool®, ya que solo soporta hasta 538°C y no aísla. 23. Recuperado el 13 de enero de 2006 de: http//www.matweb.com/search/SpecificMaterial.asp?bassnum. 32.

(33) IM -2005-II-07. tanta temperatura como lo hace la manta refractaria. Por último vendría una lámina de acero de 2 mm. de espesor, la cual sirve para darle rigidez y protección a la estructura. El espesor de la manta cerámica y de la fibra de vidrio iban a depender principalmente de los cálculos de transferencia de calor.. 4.4 Cálculos para aproximación de generación de energía y consumo de carbón. .. kg. s = 210°C. m aire = 0.02 Tairesalida. Taireentrada = 17.5°C C especìficoaire = 1.005. kJ kg.K .. E necesariacalentiamiento = m C p(∆T) E necesariacalentiamiento = 4.04. kJ s. Utilizando la fórmula de Dulong, pero con la composición real del carbón mineral a utilizar (teniendo en cuenta el porcentaje de cenizas e impurezas presente en el mineral) se obtiene el siguiente resultado: C: 78.41% H: 5.51% O: 5.16% N: 1.86% S: 1.26% Cenizas: 7.8% HHV = 33,714.8 kJ/kg.. 33.

(34) IM -2005-II-07. Tomando una eficiencia del 45% en el proceso de combustión, obtuvimos que:. E. necesaria. Flujo. de carbòn. =. Flujo. de carbòn. = 0 . 0003. Flujo. de carbòn. HHV. calentamie. nto. × η combustiòn. kg s kg . = 0 . 96 hr .. Según este valor de consumo de carbón se hicieron las arrojando resultados bastante aceptables y acordes con lo calculado, además de generar la temperatura de llama deseada. 5 CONSTRUCCIÓN DE LA CÁMARA DE COMBUSTIÓN Inicialmente se pensó en construir el material refractario, pero después de estudiar las complicaciones en lo que se refiere a la mezcla correcta de materiales y su posterior proceso de sinterizado, era más sencillo contratar a un proveedor que hiciera la pieza según las dimensiones especificadas. El proveedor es un especialista en la construcción de hornos eléctricos y de gas de alta temperatura, al igual que suministra todo tipo de materiales refractarios. Después de la entrega del cerámico refractario principal era necesario comenzar a ensamblar todas las piezas alrededor de éste. Se compró 2 m. de manta refractaria que rodearía el material cerámico. La manta viene de fábrica en trozos rectangulares de 1 m. x 60 cm. Ésta es de fácil manipulación, ya que se le dan las dimensiones deseadas cortándola con bisturí. Luego, simplemente se enrolló alrededor del cerámico. Después se comenzó a cortar la fibra de vidrio, la cual venía en las mismas dimensiones que la manta refractaria. En este paso era necesario utilizar guantes ya que pequeñas partículas de vidrio se podían introducir en la piel. Después de tener las dimensiones deseadas, se enrolló alrededor de la manta cerámica, teniendo en cuenta de que el material siempre estuviese estirado. Para finalizar el cilindro, se tuvieron que tomar las medidas del perímetro circular formado por la fibra de vidrio y de esta manera cortar con tijeras de lámina el acero, dejando 5 cm. adicionales de material. Este material adicional sirvió para hacer una especie de. 34.

(35) IM -2005-II-07. doblés para que allí se taladraran unos huecos. En los huecos se colocaron unos tonillos para asegurar las dos puntas de la lámina y de esta manera apretar bien todos los componentes internos. A continuación se muestra una imagen de la cámara terminada, al igual que de las capas de material.. M anta refractaria. Cerámico refractario M alla. Tornillos. Fibra de vidrio. Lámina de acero. Figura 13 Q uemador. Doblés. Una vez se tuvo listo el cilindro principal, era necesario hacer el soporte con los ángulos de construcción. Las cuatro piezas eran de 25 cm. de largo y sobre cada una de ellas se soldó otra pieza del mismo ángulo, la cual sirve para coger el cilindro de manera correcta. Como las cuatro piezas iban a ser dispuestas a 90° una de otra, fue necesario cortar una lámina y colocarla en forma de cruz. Luego de tener la forma, era necesario soldarla a las cuatro patas para tener solidez en el conjunto. Todo el proceso de soldadura se llevó a cabo con un soldador de arco Lincoln Electric y con electrodos E-6010. Toda la labor se llevó a cabo en el laboratorio de Ingeniería M ecánica de la universidad. El último paso del soporte era saldar una platina metálica cerca del centro de la cruz con la forma de la salida del soplador principal, para que allí se atornillara el soplador de manera segura y sin obstrucciones. En la Figura 13 se puede ver el trabajo de soldadura en las patas,el soporte en cruz y el soplador principal.. 35.

(36) IM -2005-II-07. Figura 14 Soporte quemador. Para la parrilla se utilizaron dos mallas industriales, cada una de diferentes características. La malla que iba en la parte inferior tenía orificios de 3 mm. de diámetro, mientras que la malla superior tenía orificios de 1 cm. de diámetro. Las mallas se dispusieron de esa manera para que la malla más pequeña, la cual tenía la labor de sólo dejar caer las cenizas, no fuera afectada directamente por la llama. La malla superior es mucho más gruesa y por lo tanto podía soportar mejor la temperatura. Las mallas fueron colocadas sobre cuatro pequeños soportes tubulares. Éstas no tenían que estar aseguradas con tornillos, ya que su única misión era sostener la cama de carbón y dejar pasar el aire. Para la instalación del segundo ventilador fue necesario abrir un orificio de forma rectangular a un lado del cilindro. El orifico lógicamente tenía que atravesar la lámina de acero, los dos aislantes y el cerámico refractario. Una vez se terminó el orificio, era necesario taladrar cuatro huecos para poder atornillar el soplador centrífugo. Para poder hacer mediciones de temperatura fue necesario hacer un orificio circular a un lado del cilindro y que estuviese 1 cm. por encima de la cama de carbón mineral para poder tener una lectura clara y precisa de la temperatura de las brasas. A continuación se encuentra una imagen que muestra la colocación del segundo ventilador.. 36.

(37) IM -2005-II-07. Figura 15 Soplador secundario. Antes de encender el quemador era necesario hacerle las pruebas a los sopladores en sus respectivas posiciones, para de esta manera poder saber que caudal iban a suministrar en el momento del funcionamiento del quemador. La medición se hizo con un anemómetro de hilo caliente en la universidad y se tomaron datos para cada una de las posiciones de la platina reguladora de caudal. En las gráficas que se presentan a continuación se pueden ver las magnitudes del caudal (el área de la salida del soplador es de 0.00165 m 2).. 37.

(38) IM -2005-II-07. Calibración ventilador aire principal %Apertura de succión. Flujo (m/s). Caudal (m^3*s). 9%. 2.51. 0.0041415. 18%. 2.78. 0.004587. 27%. 3.41. 0.0056265. 36%. 3.85. 0.0063525. 45%. 4.45. 0.0073425. 54%. 5.6. 0.00924. 63%. 6.2. 0.01023. 72%. 7.02. 0.011583. 81%. 7.52. 0.012408. 100%. 8.32. 0.013728. Tabla 3. Calibraciòn soplador principal. Velo cid ad (m/s). 10.00 8.00 6.00 4.00 2.00 0.00 0%. 10%. 20%. 30%. 40%. 50%. 60%. 70%. 80%. 90%. 100%. Porcen taje de ape rtu ra. Gráfica 1. 38.

(39) IM -2005-II-07. Calibración ventilador aire secundario %Apertura de succión. Flujo (m/s). Caudal (m^3*s). 9%. 2.36. 0.003894. 18%. 2.63. 0.0043395. 27%. 3.26. 0.005379. 36%. 3.7. 0.006105. 45%. 4.3. 0.007095. 54%. 5.45. 0.0089925. 63%. 6.05. 0.0099825. 72%. 6.87. 0.0113355. 81%. 7.37. 0.0121605. 100%. 8.17. 0.0134805. Tabla 4. Calibraciòn soplador se cundario. Velo cid ad (m/s). 10.00 8.00 6.00 4.00 2.00 0.00 0%. 10%. 20%. 30%. 40%. 50%. 60%. 70%. 80%. 90%. 100%. Porcen taje de ape rtu ra. Gráfica 2. 6 ENCENDIDO Y PRUEBAS DEL QUEMADOR Para encender el quemador se decidió utilizar Thinner y estopa para la ignición principal. Luego se le suministraba el carbón y se aseguraba que éste cayera en la parte central del cilindro y por encima de la llama. M ientras tanto, se encendían los sopladores al 30% para. 39.

(40) IM -2005-II-07. que no apagaran la llama inicial. A medida que el carbón se iba secando – lo cual se podía observar porque cuando entraban en contacto con la llama, ex pedía un humo gris – se iba aumentando el caudal de los ventiladores. Después de un par de minutos el carbón ya empezaba a generar su propia llama y era oportuno poner los ventiladores en la posición que mejor hicieran quemar el carbón. Después de varias pruebas se estimó que la mejor posición del ventilador primario era al 70% de apertura mientras que para el segundo ventilador esta cifra era de 60%. Una vez se establecía el quemado de carbón, sólo era necesario suministrar una pequeña cantidad de carbón, la cual se tomó de la gráfica que aparece en la figura 10, que indica que hay una pérdida de masa del orden de 12 mg. de carbón por minuto. Cada vez que se suministraba esa cantidad de carbón, la llama tendía a reducirse momentáneamente y sólo aparecían brasas mientras se secaba el nuevo carbón,como se muestra en la siguiente figura.. Figura 16 Luego se secaba el carbón y la llama volvía a fortalecerse como se encontraba previamente. En la siguiente figura se puede apreciar la llama.. 40.

(41) IM -2005-II-07. Figura 17 Este proceso de alimentación se llevaba a cabo cada minuto, pero 30 segundos después de colocar nuevo carbón, la llama y la temperatura se estabilizaban. La temperatura a la que llegaba el sistema era del orden de 800°C, lo que nuevamente evidencia el correcto funcionamiento, ya que en la figura 10, se habla de una temperatura de entre 750°C y 800°C. A continuación se muestra la figura de la llama estabilizada y de la temperatura de funcionamiento.. Orificio para revisión de temperatura. 41.

(42) IM -2005-II-07. Figura 18 Temperatura de combustión. 42.

(43) IM -2005-II-07. Para seguir confirmando la correcta operación del quemador fue necesario hacer un análisis de gases y comparar con las emisiones que se publican en el libro de Borman [8]. A continuación se muestra la tabla con la que se van a compara los datos de las emisiones.. Tabla 524 Valores típicos de emisiones. Los datos obtenidos del análisis de gases presentan a continuación. Estas imágenes fueron de las impresiones realizadas por la máquina Testo 330-2.. 24. BORMAN, Gary , Combustion Engineering, McGraw Hill Ed. , Boston, MA 1998, Table 15.1, Pg. 488. 43.

(44) IM -2005-II-07. Figura 19 Emisiones del quemador. Figura 20 Emisiones del quemador. La primera medición (primera impresión en la Figura 19) se hizo con el ventilador principal abierto al 70%, mientras que el ventilador secundario estaba trabajando al 30%. Como se puede ver, la temperatura del gas es bastante elevada, pero igualmente,las emisiones de CO y NO x. En la segunda emisión se disminuyó el caudal del ventilador principal a 60% y el ventilador secundario se mantuvo a la misma velocidad. Se evidencia que la combustión no fue completa ya que la temperatura disminuyó y las emisiones nocivas siguieron. 44.

(45) IM -2005-II-07. aumentando. En este punto se concluyó que era necesario aumentar el caudal de los dos ventiladores para poder obtener mejores resultados. Para la tercera medición, el ventilador principal se mantuvo a 70% (la tercera imagen en la figura 19) y el ventilador secundario se aumentó hasta llegar al 50% de apertura. Se observa que la temperatura disminuyó, pero de igual manera disminuyeron las emisiones nocivas, pasando de 1168 ppm de CO a 981 ppm, de 57 ppm de NO x a 22 ppm y el Ox ígeno aumento de 18.9% a 20.4%. Se siguieron las mediciones cambiando poco a poco la apertura del ventilador secundario y finalmente en la última muestra (la tercera imagen de la figura 20) se obtuvieron los mejores resultados. En este caso, el ventilador secundario estaba trabajando al 60% de apertura y se lograron disminuir aún más las emisiones. A continuación se presenta una tabla comparando las mediciones de las emisiones en la segunda muestra y la última.. Especies. Muestra No. 2. Muestra no. 6. %CO2. 1,87. 0,99. %O. 18,9. 19,9. CO (ppm). 1168. 673. Nox (ppm). 57. 29. Tabla 6 Comparación de emisiones. Con lo anterior se puede demostrar que la utilización del segundo ventilador a la altura de la cama de carbón mineral es bastante útil. Primero, ayuda a completar la combustión y segundo, reduce ostensiblemente las emisiones nocivas al ambiente. En lo que se refiere a la temperatura de la cámara, es posible que ex istan errores en la medición, ya que por error humano, la distancia con respecto a la llama a la cual se midió pudo haber cambiado y de esta manera cambiado los datos. Sin embargo, es obvio que mientras más aire se introduzca a la altura de la llama, ésta va a tender a disminuir de temperatura. Se tiene que tener en cuenta la compensación en materia de reducción de emisiones – tema clave en la producción de energía de hoy día, y que siempre ha dejado a un lado al carbón, ya que este siempre se ha considerado como un combustible contaminante.. 45.

(46) IM -2005-II-07. 7 CONCLUSIONES 1. La primera conclusión que se ex trae de este proyecto es que se lograron cumplir todos los objetivos propuestos al comienzo del semestre. Sin embargo, una parte del objetivo de la construcción no llegó a tener los resultados óptimos. El quemador tiende a hacer combustión en el lado en el cual está ubicado el ventilador principal (ya que por razones de espacio, no se pudo colocar en el centro geométrico del cilindro, sino desviado unos 3 cm. Hacia un lado). El proceso de construcción del quemador fue el más complicado, ya que la pieza fundamental fue necesario mandarla a hacer. Los retrasos en la entrega de la pieza complicaron aún más el tiempo de construcción, el cual era bastante restringido. Sumando a estas complicaciones, era necesario poner a funcionar el quemador antes del final del semestre. Sin embargo, todo se terminó a tiempo con resultados aceptables. 2. El quemador funcionó y todos sus componentes trabajaron sin problemas para el correcto funcionamiento. Los materiales escogidos fueron los correctos, ya que no sufrieron daños de ningún tipo después de varias pruebas en un ambiente de alta temperatura. 3. La especificación de los ventiladores también fue la correcta, ya que lograron suministrar el aire necesario para la combustión completa, aunque se hubiese deseado colocar el ventilador principal en la parte más central del cilindro. 4. La escogencia del tipo de quemador a construir también fue la correcta, ya que una vez construido el prototipo, se demostró que hacer un ejemplar más complicado sería mucho más difícil. Igualmente, la dificultad adicional en la construcción hubiese sido innecesaria, ya que con el diseño sencillo que se escogió los resultados dieron como se esperaba. 5. El objetivo de poder analizar de manera completa el proceso de combustión e identificar los modelos propuestos por diferentes autores también se cumplió, aunque al final se optó por calcularlos de otra manera. Sin embargo, las particularidades del proceso de combustión del carbón mineral granulado se. 46.

(47) IM -2005-II-07. identificaron plenamente y se realizaron las modificaciones necesarias al proceso de alimentación de aire para que el mineral se pudiera quemar de manera completa y que igualmente se garantizara la repetibilidad de los resultados. 6. Con la realización de las pruebas se evidenció un problema y es que la eliminación de las cenizas es un punto clave para la consecución de este proyecto. Aprox imadamente después de una hora de funcionamiento, es necesario eliminar las cenizas, ya que estas comienzan a obstruir el paso del aire primario y el proceso de combustión se va deteriorando. Aunque este es un prototipo en el cual se desean seguir haciendo pruebas y además se desea que preste un fin académico, más no comercial, puede que el problema no influya tanto – dado que el aparato no se va a utilizar tan prolongadamente.. 47.

(48) IM -2005-II-07. 8 RECOMENDACIONES 1. La primera recomendación para los que deseen continuar con este proyecto, es que le puedan adaptar un sistema para la eliminación de las cenizas. Una posible solución podría ser la implementación de un sistema de vibración de la parrilla, el cual hiciera que las cenizas se fueran entre los orificios de la malla con mayor facilidad. Otro sistema podría ser un barrido de las cenizas de la parrilla, mediante un cepillo que se moviera de un lado al otro, limpiando los desechos. Esta modificación es necesaria para aquellos que deseen que la cámara de combustión funcione por largos periodos de manera consistente, como sería el caso de investigaciones posteriores. 2. En cuanto al área investigativa, sería una buena idea poder implementar una especia de convertidor catalítico que reduzca las emisiones nocivas. De esta manera se podría llegar a una solución válida, la cual podría llegar a ser implementada en la industria. Sin embargo, es necesario poder comprender de manera ex haustiva el proceso de combustión del carbón mineral para poder diseñar el implemento. Por esta razón es necesario consultar e investigar mas a fondo el modelo de combustión de doble película que se describió en este trabajo. 3. Si el quemador se desea implementar para uso didáctico, lo cual es completamente válido y posible, sería necesario implementar un alimentador de carbón más eficiente que el tornillo que había sido diseñado. El tornillo anterior era de dimensiones muy reducidas para poder alimentar una pequeña cantidad de carbón al sistema. El problema es que el tamaño de los granos del carbón obstruía frecuentemente los hilos y la alimentación no era tan precisa como se deseaba (En el anex o 4 se presentan las dimensiones del tornillo utilizado). Por lo tanto,sería conveniente diseñar y construir un alimentador de punzón, el cual tome una cantidad preestablecida de carbón y la empuje hacia la cámara de combustión, proporcionando una medida un poco más precisa que la del tornillo y sin obstrucciones en los hilos.. 48.

(49) IM -2005-II-07. 4. Para un óptimo funcionamiento de la cámara de combustión, también sería muy útil poder sustituir el ventilador principal por uno de mayor tamaño y que se lograra ubicar en una posición más central de la que se encuentra el ventilador actual. De esta manera se puede lograr una mejor alimentación de aire y la combustión será lograda en todo el cilindro y no parcial hacia un lado. 5. Si el quemador va a ser utilizado de forma didáctica, una de las mediciones más relevantes en este caso, sería la de poder determinar por medio de las fórmulas para Higher Heating Value y Low er Heating Value el poder calorífico generado por el carbón en el proceso. Otra medición podría ser la de evaluar la relación aire combustible, por medio de un analizador de gases, del proceso y compararla con los datos obtenidos por los cálculos teóricos. También, con un termopar, se podría evaluar la temperatura de la llama y de los gases de salida y poderlos comparar con los modelos propuestos en los tex tos.. 49.

(50) IM -2005-II-07. 9 ANEXOS 1. Tabla de propiedades del Kaowool® Physical Properties. C olor. white. off-white. off-white. 2150 °F (1177 °C ). 2400 °F (1316 °C ). 2400 °F (1316 °C ). 50. <10. <10. <4 (100). <1/2 (12.5). <500µm. Alum ina, Al2O 3. 46. 35. 35. Silica, SiO 2. 54. 50. 50. Zirconia, ZrO 2. N/A. 15. 15. C ontinuous te m pe ra ture rating Shot conte nt (we ight %) Fibe r le ngth, in (m m ) Chemical Analysis. Fuente: http://w w w .anvilfire.com/sales/k_index .htm. 2. Tabla de propiedades de la fibra de vidrio Thermal Properties. Metric. English. 1120 °C. 2050 °F. Maximum Service Temperature, Air. 538 °C. 1000 °F. Continuous. Maximum Service Temperature, Air. 816 °C. 1500 °F. Short Term. Melting Point. Comments. Fuente: http://w w w .matw eb.com/search/SpecificM aterial.asp?bassnum=CM ID00 3. Tabla de propiedades del cerámico refractario. Physical Properties. Density Porosity. Metric. English. Comments. 3.35 g/cc. 0.121 lb/in³. Apparent. 13 %. 13 %. Apparent. 50.

(51) IM -2005-II-07. Mechanical Properties. Compressive Strength. 100 MPa. 14500 psi. Cold Crushing Strength. Thermal Conductivity. 3.6 W/m-K. 25 BTU-in/hr-ft²-°F. at 1100°C. Thermal Conductivity. 3.8 W/m-K 26.4 BTU-in/hr-ft²-°F. at 650°C. Thermal Conductivity. 5.8 W/m-K 40.3 BTU-in/hr-ft²-°F. at 100°C. Thermal Properties. Maximum Service Temperature, Air. 1750 °C. 3180 °F Deformation under load ta. Maximum Service Temperature, Air. 1850 °C. 3360 °F. Descriptiv e Properties. Segercone Thermal Shock Resistance. Min 42 10-15. DIN 51068. cycles. Fuente: http://w w w .matw eb.com/search/SpecificM aterial.asp?bassnum=CTHERM 000 4. Dimensiones del tornillo dosificador Teniendo en cuenta un flujo volumétrico de 0.001m 3/s. el cual se obtiene al dividir el flujo de carbón por hora (0.96kg./hr) por su densidad (910kg./m 3).. DISEÑO DEL DOSIFICADOR Tamaño. pulgadas. metros. Centimetros. Diametro ex terior. 2. 0,051. 5,08. Diámetro interior. 1. 0,025. 2,54. Paso. 1. 0,025. 2,54. 51.

(52) IM -2005-II-07. Volumen por paso. 3,861E-05 m3/paso. Vueltas por hora Vueltas por minuto. 27,3 0,5. 10 BIBLIOGRAFÍA 1. Physical Properties of Silica Brick. Recuperado el 11 de enero de 2006 de: http://w w w .matw eb.com/search/SpecificM aterial.asp?bassnum=CGOUD058 2. Physical Properties of Kaowool. Recuperado el 11 de enero de 2006 de: http://w w w .matw eb.com/search/SpecificM aterial.asp?bassnum=CM ID00 3. Physical Properties of glass fiber. Recuperado el 13 de enero de 2006 de: http://w w w .matw eb.com/search/SpecificM aterial.asp?bassnum=CTHERM 000 4. Recuperado el 8 de enero de 2006 de: http://w w w .thermalceramics.com/products/kaow oolengfib.asp 5. Recuperado el 8 de enero de 2006 de: http://w w w .anvilfire.com/sales/k_index .htm 6. STULTZ, S. C. & KITTO, J. B. (editores), Steam: Its Generation and Use, 40th Ed. ,Babcock & Wilcox , Barberdon , OH, 1992 7. GIRALDO MESA, M agdalena, Estudio de la evolución de las propiedades termofísicas de carbones colombianos durante el proceso de combustión; Tesis de grado, M aestría en sistemas energéticos, Pontificia Universidad Bolivariana, M edellín, Colombia, 2002 8. BORMAN, Gary, Combustion Engineering, M cGraw Hill Ed. , Boston, M A 1998 9. VAN WYLEN, G. , SONNTAG, R. , BORGNAKKE, C. , Fundamentals of Classical Thermodynamics, Wiley, 1994 10. TURNS, Stephen R. , An Introduction to Combustion, M cGraw Hill Ed. USA, 2000. 52.

(53) IM -2005-II-07. 11. MANGONON, Pat L. , The Principles of Materials Selection for Engineering Design, Prentice Hall, Upper Saddle River, NJ 1999. 53.

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