Combustión. Exceso de aire

Artículo escrito por: David Mateos Fernández

El presente artículo, pretende realizar una explicación de lo que se tiene que dar para que exista un proceso de combustión en hogares de calderas.

La mayor parte de las calderas obtienen la energía calorífica que necesitan de una reacción de combustión. No obstante, ésta no es la única solución posible, así tenemos calderas de recuperación que aprovechan el calor de un fluido, por ejemplo de los gases, o calderas eléctricas que convierten la energía eléctrica en calorífica mediante el efecto Joule e incluso reactores nucleares.

La energía química que contiene un combustible es liberada en el hogar en forma de calor mediante la reacción de combustión. En general, se puede afirmar que cualquier tipo de combustible está compuesto principalmente por carbono (C), hidrógeno (H), oxígeno (O), azufre (S), nitrógeno (N).

En presencia de oxígeno y siempre que la temperatura de ignición (temperatura a partir de la cual una combustión se mantiene por sí  misma) sea la adecuada, tendrán lugar las siguientes reacciones químicas:

C+O2 → CO2 + calor. El Carbono reacciona con el oxígeno formando dióxido de carbono a la vez que se libera una gran cantidad de calor.

H2 + 1/2 O2 → H2O + calor. El Hidrógeno reacciona con el oxígeno formando agua a la vez que se libera una gran cantidad de calor.

S + O2 → SO2 + calor. El Azufre reacciona con el oxígeno formando dióxido de azufre a la vez que se libera una gran cantidad de calor.

Por lo tanto, para poder realizar la combustión se necesita un suministro continuo de oxígeno. La cantidad de oxígeno vendrá determinada por la naturaleza del combustible y por el caudal que se inyecte en el hogar. Como el oxígeno puro es económicamente muy caro, se utiliza aire como proveedor de oxígeno (el aire está compuesto básicamente por oxígeno y nitrógeno en proporciones de 22 y 78% respectivamente), decir que se está estudiando la viabilidad de realizar la combustión con oxígeno puro, proceso que recibe el nombre de Oxicombustión y que evitaría la formación de NOx.

Conociendo la composición del combustible y la cantidad inyectada en cada momento en el hogar a través de los quemadores, se puede calcular la cantidad exacta de aire que se necesita incorporar al hogar para realizar la combustión con éxito. Este aire se denomina aire teórico. En la realidad, no es suficiente con aportar el aire teórico que necesita el proceso para realizar la combustión, ya que debido a la imperfecta reacción del aire con el combustible se producirían pérdidas por inquemados elevadas.

Figura 2. Entrada de aire y carbón al hogar.

Para evitar este inconveniente, se suministra más aire del necesario para conseguir eliminar prácticamente los inquemados. El porcentaje de aire que se añade por encima del teórico se llama exceso de aire. Se podría pensar que cuanto mayor fuera el caudal de aire en exceso que se suministra a la caldera mejor será el rendimiento al disminuir los inquemados, sin embargo, no es cierto ya que si el exceso de aire introducido es demasiado alto lo que se consigue es calentar inútilmente una gran cantidad de aire con lo que baja la temperatura del hogar al tiempo que las pérdidas de calor por la chimenea aumentan. Por esta razón se debe trabajar con un exceso de aire lo más ajustado posible. Los inquemados, además de no aportar calor al hogar pueden en algunos casos, según sea su naturaleza, depositarse junto con las cenizas en las paredes del hogar perjudicando la transmisión de calor, por lo que los gases saldrán más calientes por la chimenea y el rendimiento de la caldera se verá doblemente perjudicado.

Es conveniente aclarar que el exceso de aire no garantiza una buena combustión, es necesario además que:

• La temperatura del hogar sea superior que la temperatura de ignición del combustible. La temperatura de ignición de un combustible es función de su naturaleza.

• Se consiga una dispersión del combustible uniforme para favorecer el encuentro de éste con el aire. Es, por tanto, necesario pulverizar el carbón antes de introducirlo en el hogar.

• Se establezca una turbulencia de la mezcla combustible-comburente. Esto se hace para evitar que los gases producto de la combustión (que son inertes) no entorpezcan la progresión de la reacción y el combustible que queda por quemar encuentre el oxígeno necesario.

• La llama sea estable. Una llama inestable además de entorpecer la combustión provoca inestabilidades en el tiro del hogar y en la presión del vapor producido.

• La temperatura del aire de combustión sea lo más elevada posible. Cuanto mayor sea la temperatura del aire más fácil será la combustión y mejor el rendimiento de la caldera. Esto se consigue calentando el aire de admisión a caldera mediante los precalentadores de aire.

• El tiempo de permanencia del combustible en el hogar sea adecuado. El volumen del hogar debe ser diseñado cuidadosamente para conseguir que todo el combustible se queme en el interior de éste.

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