1- COMBUSTIÓN
Combustión: Definición
La combustión (quemado) consiste en una reacción química de oxidación en la unoselementos combustibles, principalmente carbono (C), hidrógeno (H), y azufre (S), se combinan con oxígeno. La reacción se verifica con un gran desprendimiento de energía, en forma de calor y luz. A continuación se presentan las reacciones principales que se producen en el quemado de un combustible, apareciendo reflejados reactantes y productos, además del calor desprendido en la misma.
C + O2 → CO2 + 32840 kJ / kg. de Carbono.
2 C + O2 → 2 CO + 9290 kJ / kg. de Carbono ( combustión parcial )
2 H2 + O2 → 2H2O + 119440 kJ / kg. de Hidrógeno.
S + O2 → SO2 + 9290 kJ / kg. de Azufre
Como podemos ver los productos principales de la combustión son el dióxido de carbono (CO2) y el agua (H2O).
Combustibles
La reacción de combustión como hemos visto requiere de la presencia de unos elementos combustibles (C, H, S, …) que reaccionen con el oxígeno, que será denominado elemento comburente.
Se denominará combustible a toda aquella sustancia que por su composición haga posible la combustión de la misma, verificándose un desprendimiento de energía.
La práctica totalidad de los combustibles usados hoy en día industrialmente son del tipo orgánico, donde el Carbono e Hidrógeno son los elementos predominantes en su composición.
Los combustibles se clasifican en función del estado físico que presentan habitualmente.
La razón de esta clasificación se debe a que las técnicas y equipos a utilizar en la combustión dependerán del estado físico del combustible.
COMBUSTIÓN
2- CLASIFICACION DE LOS COMBUSTIBLES INDUSTRIALES
Madera y residuos
Naturales Turbas
Sólidos Carbón Lignitos
Artificiales Hullas
Antracita
Alcoholes
Naturales
(fermentación e
hidrólosis).
Artificiales
Líquidos Residuales Por ejemplo, legías negras.
Derivados del petróleo Gasóleos
Fuelóleos
Residuales Fuel-gas
Gas natural Diferentes familias
Gases líquidos del petróleo
(GLP) Propano y butanos
Gas de horno alto
Gaseosos Gas de coquería
Gas pobre
Artificiales o elaborados Gas de agua
GNS
Gases de gasógeno
Gas ciudad
Biogas
En los hornos y calderas industriales se pueden utilizar un amplio abanico de combustibles líquidos y gaseosos. Los combustibles líquidos van desde hidrocarburos ligeros hasta corrientes de residuos pesados de la torre de vacío. Los combustibles gaseosos contienen un mezcla de componentes que pueden ir desde el hidrógeno hasta el butano.
La mayoría de los quemadores utilizados en plantas industriales son del tipo combinado, quemando simultáneamente gas y fuel-oil, pudiendo trabajar también alimentado con un sólo combustible.
3- COMBUSTIÓN
Mecanismo de la combustión
El mecanismo de combustión varía según el tipo de combustible que se desee quemar.Así podremos distinguir entre combustión homogénea en la que el combustible a quemar es gaseoso, y combustión heterogénea en el caso de combustibles sólidos y líquidos.
En la combustión homogénea, la reacción química comienza tan pronto como la mezcla de combustible y aire tiene lugar. La mezcla del combustible con el aire se produce a consecuencia de la turbulencia que se induce en la corriente aire/gas a la salida del quemador y las diferencias de densidad entre la llama y los alrededores.
La combustión heterogénea necesita un mayor tiempo de ignición, requiriendo los combustibles líquido una atomización previa a la combustión.
Para comprender mejor el mecanismo de combustión heterogénea presentamos el caso de la combustión del fuel-oil.
La combustión del fuel-oil comienza por los componentes más ligeros que se vaporizan tan pronto como las gotas de combustible salen del atomizador y entran en la zona de combustión. El residuo pesado que queda sufre una pirólisis debido a la alta temperatura de la combustión causando la formación de humo. Un atomización insuficiente del fueloil resulta en un goteo de combustible que no se quema. El carbón residual o coque que queda tras la pirólisis es arrastrado al exterior en forma de partículas sólidas. Idealmente, la materia carbonosa debería quemarse completamente con objeto de reducir al mínimo posible las partículas sólidas arrastradas por los gases de combustión. En la práctica, en el caso de un horno de refinería las partículas sólidas arrastradas por los gases de combustión contienen habitualmente más de un 90% o más de material carbonoso.
4- COMBUSTIÓN
Aire de combustión
El Oxígeno necesario para la combustión, normalmente, es suministrado a través de una corriente de aire.
Para conseguir la combustión completa del combustible tenemos que garantizar que existe el suficiente Oxigeno para ello. Para conocer la cantidad de oxígeno necesario recurriremos a estudiar la estequiometría de las reacciones de combustión.
Por ejemplo, la reacción química que se produce en la combustión de un hidrocarburo simple como el metano se puede expresar como:
CH4 + 2 O2 ---------- CO2 + 2 H2O
En la ecuación vemos que para quemar un mol de metano es necesario suministrar 2 moles de O2, o lo que es lo mismo para quemar un metro cúbico normal de metano necesitaremos dos metros cúbicos normales de Oxigeno.
A efectos prácticos consideraremos el aire compuesto, en volumen, por un 21% de Oxígeno y un 79 % de Nitrógeno (gas inerte que no contribuye a la combustión ). Por ello el volumen de aire a aportar al sistema es aproximadamente cinco veces el volumen de Oxígeno necesario.
Una operación de combustión como ésta se llamaría completa y perfecta. La operación sería completa porque todo el carbono se habría convertido en dióxido de carbono (CO2) y todo el hidrógeno en agua (H2O). También sería perfecta por haber cantidad suficiente de oxígeno para quemar todo el carbono y el hidrógeno sin que quedase oxígeno o aire.
Un ejemplo de combustión completa, pero no perfecta, sería la siguiente:
CH4 + 3 O2 ---------- CO2 + 2 H2O + O2
Aquí tenemos más oxígeno del necesario, el horno trabaja con un exceso de aire. En la combustión es crítica la relación combustible-oxígeno (aire). Si esta relación es muy pequeña, el combustible será muy pobre para quemarse y si es excesivamente grande, la mezcla será excesivamente rica para arder. El límite de la relación combustible-oxígeno se llama límite de inflamabilidad del combustible.
Factores de los que depende una correcta combustión. En la práctica no nos interesará tener una combustión perfecta, sino tener la máxima eficiencia de la combustión posible.
En cualquier proceso de combustión se debe presentar atención a los siguientes tres puntos:
1. Hay que preparar el combustible para su combustión; si es líquido hay que atomizarlo
previamente.
5- COMBUSTIÓN
2. Hay que asociar el combustible y el aire en las proporciones adecuadas, en el momento y a la temperatura correctos para el encendido y la combustión.
3. Se debe procurar mantener una cantidad suficiente de calor en la zona de combustión,con el objeto de mantener una temperatura en el hogar que me permita una adecuada vaporización del combustible.
Los quemadores de gas sólo necesitan establecer la proporción de los volúmenes de aire y gas, y asegurar su íntima mezcla. Pero los quemadores de fuel-oil tienen que preparar el combustible fragmentándolo en pequeñas partículas para dejar expuesta la máxima superficie posible a fin de que el calor del horno lo convierta rápidamente en vapor.
Las operaciones de mezcla, encendido y combustión se producen en el pequeño intervalo de tiempo que emplean el combustible y el aire en trasladarse desde el quemador hasta la entrada a la chimenea. Este intervalo de tiempo depende de la distancia recorrida y de la velocidad y grado de turbulencia.
La turbulencia describe aquella condición en que el combustible y el aire giran en remolinos siguiendo vías irregulares desde el quemador hasta la entrada de la chimenea.
Es deseable una corriente turbulenta , porque la distancia total que recorre el vapor aumenta al seguir un camino irregular, con lo cual aumenta el tiempo disponible para la combustión.
Hemos resumido la combustión como dependiente de “tres T” : tiempo, temperatura y turbulencia.
Quemadores
Para poder utilizar el calor liberado en la combustión es necesario controlarlo. El quemador es un dispositivo mecánico diseñado para producir una llama estable, con una forma y tamaño predeterminados. Los combustibles líquidos se rompen en pequeñas gotas por medio de un atomizador. Fuel-oil y gas se introducen dentro de la corriente de aire de combustión para asegurar una buena mezcla y estabilizar la base de la llama.
La gama de combustibles, líquidos y gaseosos, que se queman en este tipo de elementos es tremendamente amplia. El diseño del quemador varía dependiendo de la clase de combustible a usar, ya que el tratamiento del mismo para conseguir una buena combustión es diferente. Así podemos establecer una distinción entre quemadores dependiendo del combustible de alimentación. Así tendremos quemadores de gas, quemadores de combustibles líquidos, y quemadores combinados, donde se queman conjuntamente combustibles gaseosos y líquidos. Existen muchos tipos de quemadores según su diseño variando desde un simple mechero bunsen hasta los quemadores gigantes de un horno de cemento. Por ello, deberemos seleccionar el tipo que más se adapte a nuestras necesidades.
En las plantas industriales se utilizan principalmente dos tipos de quemadores: el de tiro
natural, y el de tiro forzado.
6- COMBUSTIÓN
Existe abundante documentación sobre quemadores de tiro forzado, por lo que nos centramos en los de tiro natural.
Quemadores: Descripción
El quemador se dimensiona de acuerdo con el tiro disponible e invierte la presión de tiro disponible en inducir velocidad a la corriente de aire que circula por él. Debido al reducido valor de presión del tiro la velocidad adquirida por el aire de admisión será reducida, lo que implica que no exista un gran poder de mezcla al unirse la corriente de aire con el combustible. Esto se traduce en un mayor tiempo de combustión por lo que la llama será larga, y en un mayor exceso de aire para tener una combustión completa.
La ventaja de los quemadores de tiro natural es su reducido coste inicial de instalación. Los quemadores son relativamente baratos y no hay necesidad de ventiladores que impulsen el aire de combustión.
Elementos básicos de un quemador de tiro natural
Los componentes más importantes de un quemador de tiro natural son los siguientes:
1. Registro de aire (Air Register):. El aire de combustión entra en un mechero de tiro natural a través de unas aberturas regulables en área y que aseguran una distribución uniforme del aire en la mufla de refractario del mechero.
El área de apertura de los registros se utiliza para regular el caudal de aire de combustión que entra en el mechero. Algunos mecheros tienen dos conjuntos de áreas de regulación , para dar un control más ajustado de la cantidad de aire (registros primario y secundario).
2. Atomizador de combustible líquido (Oil Atomiser): En este elemento la masa de combustible líquido se rompe en pequeñas gotitas al actuar sobre él un chorro de vapor de agua. Ambos, vapor y combustible líquido pulverizado, se inyectarán en la corriente
de aire de combustión a través de la boquilla de la caña de fuel.
3. Mufla primaria (Primary Block): En la mayoría de mecheros de tiro natural existe una pieza cilíndrica alrededor de la punta del mechero cuyo objetivo es estabilizar la llama de éste. Entre un 15 % y un 20% del aire de combustión entra a través de esta pieza , la cual debe tener la forma interna adecuada para permitir la recirculación de aire y gotas de combustible hacia la raíz de la llama. Esto se usa normalmente en los mecheros que queman fuel-oil.
4. Cañas de Gas (Gas Guns): El gas se introduce en el horno a través de una serie de tubos verticales con multitud de pequeños agujeros por los que entra el aire de combustión. El número de agujeros es tal que permite una mezcla eficiente entre el aire de combustión y el gas.
5. Mufla de refractario (Refractory Quarl): Es una pieza de refractario de forma normalmente cilíndrica o cónica que se monta en el suelo del hogar. Su forma interna determina el tamaño de llama y juega un papel muy importante en proporcionar estabilidad a la llama del mechero.
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6. Piloto de Gas (Gas Pilot): El piloto de gas se añade al mechero para proporcionar una fuente de ignición en las puestas en marcha y como medida de seguridad durante la operación normal del horno. Tiene un aspecto parecido a los mecheros de gas, con la diferencia de que está diseñado para producir una llama más pequeña. Normalmente su funcionamiento se basa en que el flujo de gas provoca una pequeña succión de aire de combustión que pasa a través de los pequeños agujeros y provoca la combustión completa de la mezcla.
A continuación presentamos el esquema constructivo de diferentes quemadores de tiro natural.
Quemador de Gas de Tiro Natural
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Quemador Combinado de Tiro Natural
Quemador de combinado de Tiro Natural
9- COMBUSTIÓN
Quemadores de Fuel-Oil. Atomizador
Nota: Aunque existe una gran variedad de combustibles líquidos que pueden usarse para alimentar a los quemadores de un horno de proceso, el fuel-oil es quizá el más empleado, debido en parte a su reducido coste. Por esta circunstancia al estudiar los quemadores de combustible líquido nos referiremos a quemadores de fuel-oil, si bien lo explicado se puede extrapolar a otro tipo de combustible líquido, pudiendo variar las condiciones de operación debido a las características físicas del nuevo combustible. Como ya se ha dicho con anterioridad, para lograr una combustión eficiente y controlada de un fuel-oil es necesaria su atomización previa. Esto sólo ocurre con los combustibles líquidos, ya que los gaseosos se quemarán directamente. Debido a esta característica los quemadores de fuel-oil deberán ir dotados de un atomizador, elemento que no aparece
en un quemador de gas.
El diseño del atomizador dependerá del método utilizado para llevar a cabo la atomización del combustible. Según esto, distinguiremos tres tipos de atomizadores:
• Atomizador de chorro a presión. El combustible se atomiza a consecuencia únicamente de la alta presión a la que es expulsado por la boquilla de la caña.
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• Atomizador de retorno lateral. La atomización se consigue fragmentando la película de fuel-oil en gotas por fuerza centrifuga.
• Atomizador de dos fluidos. El combustible se atomiza usando un segundo fluido (vapor o aire) a alta presión para romper el petróleo en gotitas.
En la Refinería, la atomización del fuel-oil se realiza empleando atomizadores de dos fluidos, sirviendo como medio atomizador el vapor.
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El atomizador va alojado en el interior de la caña de fuel-oil, situada ésta en el cuello del quemador. Así el fuel-oil una vez atomizado pasa a través de la boquilla de la caña introduciendose a continuación en la corriente de aire de combustión, verificándose la mezcla con ésta previa a la combustión.
La calidad de la atomización depende del tamaño de gota alcanzado en el atomizado, y de la dispesión de este a la salida de la boquilla de la caña. La intensidad de la atomización producida, en un mismo atomizador, depende de la cantidad de fluido atomizador empleado y de la presión del mismo. Así, cuando por las características de la alimentación la atomización sea insuficiente se puede conseguir una mayor intensidad en esta aumentando el flujo de vapor al quemador.
A continuación se presenta el esquema de una caña de fuel-oil y su atomizador, en el que se emplea vapor como medio atomizador.
Orificio de gas - oil
Orificio de vapor
Cámara mezcladora
Ángulo de spray
Cono de llama de la boquilla
Núcleo de mezcla
Cubierta exterior
Tubería concéntrica
Vapor
J. Fuel-oil
COMBUSTIÓN
12
Cone tip
Outer tip
Core
Tubo interior
Tubo exterior
Atomising medium inlet bush
Manilla
Oil inlet bush
Filtro (opcional)
Junta
Los atomizadores de aire a presión, toman éste del aire de combustión, elevan su presión,
y lo usan como medio atomizante.
COMBUSTIÓN
13
Boquilla
Conductos de aire
Tubería de fuel-oil
Regulador de fuel oil
Entrada de fuel-oil i
Kug
Swirler
Entrada de aire
Quemadores de gas. Cañas de gas.
El gas para su combustión no requiere de ninguna preparación previa, tal y como ocurría con los combustibles líquidos.
La función de la caña de gas es dirigir la corriente de gas dentro de la corriente de aire, de forma que se consiga una buena mezcla gas/aire y se obtengan una estabilidad en la llama.
Una caña de gas consiste en una simple conducción en cuyo extremo final va adosada la boquilla de gas. La unión de esta a la caña puede ser bien roscada o embutida.
En la boquilla de gas se disponen los orificios de inyección del chorro de gas en la corriente de aire de combustión.
Normalmente un quemador de gas de varias cañas, siendo el número y disposicón de las mismas variable con el diseño.
El diseño de la boquilla de gas me determinará en gran medida la calidad e velocidad de la mezcla aire/gas que se verifica en el quemador. La localización, número y dirección de los chorros de gas salientes de la boquilla me determinaran el rendimiento del quemador.
14- COMBUSTIÓN
A continuación se presentan varios diseños de boquillas de gas.
Quemadores combinados
Los quemadores combinados consisten en una asociación de cañas fuel-oil y cañas gas para permitir la combustión combinada de ambos tipo de combustible. Con ellos se tiene una mayor flexibilidad de suministro de combustible al horno o caldera, al poder quemar
uno u otro, o los dos simultáneamente.
Quemador combinado. 1 boquilla Fuel-Oil central, 4 boquillas Fuel-Gas.
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Normalmente, en operación el caudal de fuel-oil quemado será constante, respondiendo a las variaciones de demanda de calor del horno variando la cantidad de gas en la alimentación del quemador.
Pilotos de gas
Cada quemador va dotado de al menos un piloto de gas para asegurar el encendido de la llama principal.
El piloto tiene su alimentación de gas independiente a la del quemador principal de forma que no se vea afectado por los posibles fallos que pudieran existir en la línea principal de alimentación de combustible al quemador. De este modo, se puede asegurar que una fluctuación repentina en el suministro de combustible al quemador que provoque la extinción instantánea de la llama, no afecte a la llama piloto, permitiendo el nuevo encendido de la llama. Piloto de inspiración interna Boquilla de retención del piloto
Entrada de Aire/Gas
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Alineamiento del quemador
En un quemador se esencial que todos los componentes del mismo estén colocados en una posición relativa correcta unos de otros y concéntricos respecto al eje central del quemador. De otra forma, la estabilidad de la llama y la eficacia de la combustión se verían afectadas.
Historia del Gas Natural
ELos primeros descubrimientos de yacimientos de gas natural fueron hechos en Irán entre los años 6000 y 2000 A.C. Estos yacimientos de gas, probablemente encendidos por primera vez mediante algún relámpago, sirvieron para alimentar los "fuegos eternos" de los adoradores del fuego de la antigua Persia.
También se menciona el uso del gas natural en China hacia el 900 A.C. Precisamente en China se reporta la perforación del primer pozo conocido de gas natural de 150 metros de profundidad en el 211 A.C. Los chinos perforaban sus pozos con varas de bambú y primitivas brocas de percusión, con el propósito expreso de buscar gas en yacimientos de caliza. Quemaban el gas para secar las rocas de sal que encontraban entre las capas de caliza.
El gas natural era desconocido en Europa hasta su descubrimiento en Inglaterra en 1659, e incluso entonces, no se masificó su utilización. La primera utilización de gas natural en Norteamérica se realizó desde un pozo poco profundo en la localidad de Fredonia, estado de Nueva York, en 1821. El gas era distribuido a los consumidores a través de una cañería de plomo de diámetro pequeño, para cocinar e iluminarse.
A lo largo del siglo 19, el uso del gas natural permaneció localizado porque no había forma de transportar grandes cantidades de gas a través de largas distancias, razón por la que el gas natural se mantuvo desplazado del desarrollo industrial por el carbón y el petróleo.
Un importante avance en la tecnología del transporte del gas natural ocurrió en 1890, con la invención de las uniones a prueba de filtraciones. Sin embargo, como los materiales y técnicas de construcción permanecían difíciles de manejar, no se podía llegar con gas natural más allá de 160 kilómetros de su fuente. Por tal razón, la mayor parte del gas natural asociado se quemaba en antorchas y el gas no asociado se dejaba en la tierra.
El transporte de gas natural por largas distancias se hizo practicable a fines de la segunda década del siglo 20 por un mayor avance de la tecnología de cañerías. En Estados Unidos entre 1927 y 1931 se construyeron más de 10 grandes sistemas de transmisión de gas. Cada uno de estos sistemas se construyó con cañerías de unos 51 centímetros de diámetro y en distancias de más de 320 kilómetros. Después de la Segunda Guerra Mundial se construyeron más sistemas de mayores longitudes y diámetros. Se hizo posible la construcción de cañerías de 142 centímetros de diámetro.
A principios de la séptima década del siglo veinte tuvo su origen en Rusia la cañería de gas más larga. La red de Northern Lights, de 5470 kilómetros de longitud, cruza los Montes Urales y unos 700 ríos y arroyos, uniendo Europa Oriental con los campos de gas de Siberia del Oeste en el círculo Ártico. Otra red de gas, más corta, pero de gran dificultad de ingeniería, es la que se extiende desde Argelia, a través del Mar Mediterráneo hasta Sicilia. El mar tiene más de 600 metros de profundidad en algunos tramos de la ruta
El gas natural es la fuente de energía fósil que ha conocido el mayor avance desde los años 70 y representa actualmente la quinta parte del consumo energético mundial.
Gracias a sus ventajas económicas y ecológicas, el gas natural resulta cada día más atractivo para muchos países. Las características de este producto, como por ejemplo su reducido intervalo de combustión, hacen de esta fuente de energía una de las más seguras del momento. En la actualidad, el gas natural, es la segunda fuente de energía de mayor utilización después del petróleo. Según EIA, departamento norteamericano de la energía, la participación del gas natural en la producción energética mundial era del 23% en 1999 y las perspectivas de desarrollo de la demanda son excelentes. El gas natural es considerado como el combustible fósil de este siglo, como lo fue el petróleo durante el siglo pasado y el carbón hace dos siglos.
El gas natural presenta una ventaja competitiva frente las otras fuentes de energía pues, solamente alrededor del 10% del gas natural producido se pierde antes de llegar al consumidor final. Además los avances tecnológicos mejoran constantemente la eficacia de las técnicas de extracción, de transporte y de almacenamiento así como el rendimiento energético de los equipos que funcionan con gas natural.
El gas natural es considerado como uno de los combustible fósiles más limpios y respetuosos con el medio ambiente. Su ventaja comparativa en materia ambiental en comparación con el carbón o con el petróleo reside en el hecho de que las emisiones de dióxido de azufre son ínfimas y que los niveles de óxido nitroso y de dióxido de carbono son menores. Una mayor utilización de esta fuente de energía permitiría particularmente limitar los impactos negativos sobre el medio ambiente tales como: la lluvia ácida, la deterioración de la capa de ozono o los gases con efecto de invernadero.
El gas natural es igualmente una fuente de energía muy segura tanto en lo que concierne su transporte y su almacenamiento como su utilización.
Aunque las reservas de gas natural sean limitadas y que se trate de una energía no renovable, las reservas explotables son numerosas en el mundo entero y aumentan al mismo tiempo que se descubren nuevas técnicas de exploración y de extracción, permitiendo una perforación más amplia y profunda.
El nivel de las inversiones dedicadas a la industria del gas natural prueba la importancia creciente de este producto. Este sector muestra un dinamismo importante a principios de este nuevo milenio. Una demanda y un nivel de precios en aumento condujeron, en un pasado reciente, a emprender nuevos proyectos de expansión y de exploración. Fue así como se desarrollaron y se planificaron proyectos de construcción de nuevos gasoductos a través del mundo. Además, los gobiernos incluyen progresivamente al gas natural en el orden del día de su política energética, principalmente a través del seguimiento de políticas de liberalización del mercado (en particular después de las crisis petroleras de los años 70). Cada vez más, los usuarios finales muestran una preferencia por el gas natural por su limpieza, su seguridad, su fiabilidad y su interés económico. El gas natural se puede utilizar para la calefacción, la refrigeración (cooling) y varias otras aplicaciones de tipo industrial. Al mismo tiempo, tiende a convertirse en el combustible preferido para la producción de electricidad.
El descubrimiento del gas natural data de la antigüedad en el Medio Oriente. Hace miles de años, se pudo comprobar que existían fugas de gas natural que prendian fuego cuando se encendían, dando lugar a las llamadas "fuentes ardientes". En Persia, Grecia o la India, de levantaron templos para prácticas religiosas alrededor de estas "llamas eternas". Sin embargo, estas civilizaciones no reconocieron inmediatamente la importancia de su descubrimiento. Fue en China, alrededor del año 900 antes de nuestra era, donde se comprendió la importancia de este producto. Los chinos perforaron el primer pozo de gas natural que se conoce en el año 211 antes de nuestra era.
En Europa no se conoció el gas natural hasta que fue descubierto en Gran Bretaña en 1659, aunque no se empezó a comercializar hasta 1790. En 1821, los habitantes de Fredonia (Estados Unidos) observaron burbujas de gas que remontaban hasta la superficie en un arroyo. William Hart, considerado como el "padre del gas natural", excavó el primer pozo norteamericano de gas natural.
Durante el siglo XIX el gas natural fue casi exclusivamente utilizado como fuente de luz. Su consumo permaneció muy localizado por la falta de infraestructuras de transporte que dificultaban el traslado de grandes cantidades de gas natural a grandes distancias. En 1890, se produjo un importante cambio con la invención de las juntas a prueba de fugas en los gasoductos. No obstante, las técnicas existentes no permitieron transportar el gas natural a más de 160 kilómetros de distancia por lo que el producto se quemaba o se dejaba en el mismo lugar. El transporte del gas natural a grandes distancias se generalizó en el transcurso de los años veinte, gracias a las mejoras tecnológicas aportadas a los gasoductos. Después de la segunda guerra mundial, el uso del gas natural creció rápidamente como consecuencia del desarrollo de las redes de gasoductos y de los sistemas de almacenamiento.
En los primeros tiempos de la exploración del petróleo, el gas natural era frecuentemente considerado como un subproducto sin interés que impedía el trabajo de los obreros forzados a parar de trabajar para dejar escapar el gas natural descubierto en el momento de la perforacion. Hoy en día, en particular a partir de las crisis petroleras de los años 70, el gas natural se ha convertido en una importante fuente de energía en el mundo.
Durante muchos años, la industria del gas natural estuvo fuertemente regulada debido a que era considerada como un monopolio de Estado. En el transcurso de los últimos 30 años, se ha producido un movimiento hacia una mayor liberalización de los mercados del gas natural y una fuerte desregulación de los precios de este producto. Esta tendencia tuvo como consecuencia la apertura del mercado a una mayor competencia y la aparición de una industria de gas natural mucho más dinámica e innovadora. Además, gracias a numerosos avances tecnológicos se facilitó el descubrimiento, la extracción y el transporte de gas natural hasta los consumidores. Estas innovaciones permitieron también mejorar las aplicaciones existentes así como creas nuevas aplicaciones. El gas natural es cada vez más utilizado para la producción de electricidad.
El gas natural es incoloro, inodoro, insípido, sin forma particular y más ligero que el aire. Se presenta en su forma gaseosa por debajo de los -161ºC. Por razones de seguridad, se le añade mercaptan, un agente químico que le da un olor a huevo podrido, con el propósito de detectar una posible fuga de gas.
El gas natural es una mezcla de hidrocarburos ligeros compuesto principalmente de metano, etano, propano, butanos y pentanos. Otros componentes tales como el CO2, el helio, el sulfuro de hidrógeno y el nitrógeno se encuentran también en el gas natural. La composición del gas natural nunca es constante, sin embargo, se puede decir que su componente principal es el metano (como mínimo 90%). Posee una estructura de hidrocarburo simple, compuesto por un átomo de carbono y cuatro átomos de hidrógeno (CH4). El metano es altamente inflamable, se quema fácilmente y casi totalmente y emite muy poca contaminación. El gas natural no es ni corrosivo ni tóxico, su temperatura de combustión es elevada y posee un estrecho intervalo de inflamabilidad, lo que hace de él un combustible fósil seguro en comparación con otras fuentes de energía. Además, por su densidad de 0,60, inferior a la del aire (1,00), el gas natural tiene tendencia a elevarse y puede, consecuentemente, desaparecer fácilmente del sitio donde se encuentra por cualquier grieta.
Es generalmente admitido que el carbono y el hidrógeno contenidos en el gas natural provienen de restos de plantas y de animales que se juntaron en el fondo de los lagos y de los océanos durante millones de años. Después de haber sido cubierto por grandes capas de otros sedimentos, el material orgánico se transformó en petróleo bruto y en gas natural bajo el efecto de la presión ejercida por las capas de sedimentos y el calor emitido por el núcleo terrestre. El petróleo y el gas son entonces expulsados fuera de los esquitos arcillosos marinos en los cuales se habían depositado y de ahí penetran en las rocas sedimentarias porosas. Posteriormente el petróleo y el gas suben a través de la roca porosa, ya que son menos densos que el agua, y llenan los poros. Existen diferentes tipos de "trampas" de petróleo y gas.
El gas natural está presente por todo el mundo, ya sea en los depósitos situados en las profundidades de la superficie terrestre, o en los océanos. Las napas de gas pueden formarse encima de los depósitos de petróleo bruto, o estar atrapadas en el seno de las rocas porosas. El gas es llamado "asociado" cuando se encuentra en presencia de petróleo bruto y "no asociado" cuando se encuentra solo.
A una presión atmosférica normal, si el gas natural se enfría a una temperatura de - 161°C aproximadamente, se condensa bajo la forma de un líquido llamado gas natural licuado (GNL). Un volumen de este líquido ocupa casi 600 veces menos espacio que el gas natural y es dos veces menos pesado que el agua (45% aproximadamente). Es inodoro, incoloro, no es corrosivo ni tóxico .Cuando se evapora se quema solamente en concentraciones del % al 15% mezclado con el aire. Ni el GNL ni su vapor pueden explotar al aire libre. Puesto que el gas natural licuado ocupa menos espacio, el gas natural se licúa para facilitar su transporte y almacenaje.
El gas natural es considerado como un combustible limpio. Bajo su forma comercializada, casi no contiene azufre y virtualmente no genera dióxidos de azufre (SO2). Sus emisiones de óxidos de nitrógeno (No) son menores a las generadas por el petróleo y el carbón. Las emisiones de dióxido de carbono (CO2) son inferiores a la de otros combustible fósiles (según Eurogas emiten 40 à 50% menos que el carbón y 25 à 30% menos que el petróleo).
VENTAJAS DEL GAS NATURAL
El Gas Natural es la fuente de energía primaria de más rápido crecimiento en los últimos años.
Su mayor incremento ha sido en la generación de la electricidad
Emite menos dióxido de carbono que el petróleo y el carbón
En los países industrializados dadas la ventajas económicas y ambientales su consumo es el que supera con creces al resto de combustibles tradicionales
Reservas mundiales de Gas Natural
Se encuentra bajo la tierra, a veces solo o en compañía del petróleo, formando grandes "bolsas" de gas.
Bajo la tierra, el gas, ya sea en forma de gas natural puro o formando parte de un pozo de petróleo, se halla sometido a grandes presiones (como el aire que infla un globo), de este modo al pinchar la superficie terrestre justo encima de un depósito, los gases y una parte del petróleo mismo, salen disparados igual que el aire de un globo.
El gas se extrae por medio de una tubería y se envía a través de gasoductos directamente a las centrales de distribución, donde se almacena en grandes tanques y se distribuye a los usuarios por medio de redes de distribución de gas natural.
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¿PARA QUÉ SIRVE EL GAS NATURAL?
El gas natural está formado por un pequeño grupo de hidrocarburos: fundamentalmente metano con una pequeña cantidad de propano y butano. El propano y el butano se separan del metano y se usan como combustible para cocinar y calentar, distribuidos en bombonas. El metano se usa como combustible tanto en viviendas como en industrias y como materia prima para obtener diferentes compuestos en la industria química orgánica.
El metano se distribuye normalmente por conducciones de gas a presión (gaseoductos).
En 1990 se obtenía del petróleo el 38,6% de la energía comercial del mundo, aunque unos años antes, en 1974 llegó a representar el 47,4%, antes de la crisis planteada por la OPEP. Ese mismo año la proporción de energía comercial suministrada por el gas natural fue de un 21,6% y desde la crisis del petróleo de 1973 ha ido aumentando ligeramente la proporción en la que se consume.
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¿CÓMO ES EL GAS NATURAL?
El Gas Natural es un combustible gaseoso que se encuentra formando bolsas en el subsuelo
•Los principales productores son: Unión Soviética, Canadá, Países Bajos, Reino Unido, Rumanía, Argelia e Indonesia
•Se transporta licuado a través de los gasoductos
•Este gas no es más pesado que el aire por eso cuando se produce una fuga en un recinto cerrado resulta muy peligroso pues además del peligro de explosión existe el de asfixia
•Para advertir de este peligro se le añade una sustancia de olor característico
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No pudo ser sino Inglaterra, corazón industrial del mundo a finales del siglo XVII y comienzos del XVIII, la cuna de uno de los inventos más portentosos del hombre en cuanto a la obtención de energía: las calderas gasoil. El invento, tal vez rudimentario al comienzo, fue logrando avances en la medida que diferentes hombres de gran ingenio incorporaron nuevas ideas para ir haciéndolas cada vez más eficientes y seguras.
Así, pues, mientras el mundo, más allá de la pujanza industrializadora de los ingleses, demandaba recursos energéticos para su desarrollo, las calderas gasoil las calderas gasoil fue ganando espacios y llegó a transformarse en un equipo indispensable para cada proceso productivo.
La de las calderas gasoil ha sido una historia larga y de constantes avances tecnológicos. Este artículo habla de los pasos más importantes a partir de la fabricación de las primeras las calderas gasoil pirotubulares.
Desde sus Comienzos
El principio de funcionamiento de las calderas gasoil pirotubulares consiste en el traspaso de calor desde el interior de los tubos hacia el agua de la caldera que los circunda. En las calderas gasoil pirotubulares existen numerosas combinaciones para la configuración de los tubos, determinadas por el número de “pasos” que el calor generado en el hogar o cámara de combustión atraviesa antes ser liberado al ambiente.
Es importante tener en cuenta el dimensionamiento de la cámara de combustión, puesto que de ello dependen las temperaturas de entrada de gasoiles al primer paso de tubos. El exceso de temperatura ocasionará sobrecalentamiento del metal y grietas en la placa trasera de tubos.
Con el paso de los años se han mejorado y optimizado los diseños, disminuyendo así su tamaño y aumentando considerablemente su eficiencia.
las calderas gasoil Tipo Lancashire
Las calderas gasoil tipo Lancashire fueron desarrolladas en 1844 por Sir William Fairbairn, a partir de lo que se conocía como caldera “Cornich” de un fogón o calderas gasoil “Trevithick's”. Aún en estos días se puede ver algunas de estas calderas gasoil en pleno funcionamiento.
Su estructura está compuesta por un largo manto de acero, por lo general de 5 a 10 m. de largo, a través del cual pasan 2 tubos de gran diámetro llamados fogones. Parte de cada fogón era corrugado de manera de absorber la expansión de las calderas gasoil cuando se calentaba y para prevenir su colapso debido a la presión externa. Se instalaba una cámara de combustión a la entrada de cada fogón en lo que corresponde al frente de la caldera. La cámara de combustión podía ser diseñada para quemar gasoil, petróleo o carbón.
Los combustibles calientes pasan de la cámara de combustión a los fogones. Estos fogones se encuentran rodeados por agua en su exterior y el calor que se genera en la cámara de combustión es transferido al agua.
Las calderas gasoil era instalada en una fundación de ladrillo llamada “setting” o montura, la que fue diseñada con el propósito de mejorar la eficiencia térmica del equipo. Después de pasar por los fogones, los gasoiles calientes son derivados bajo la caldera por un conducto de ladrillo, incluido en el “setting”, transfiriendo el calor al agua por la parte inferior del manto.
En el frente de calderas gasoil el flujo de gasoiles calientes era dividido en dos corrientes que pasaban hacia el fondo del equipo por los costados. Esto se conseguía mediante 2 conductos en los lados de calderas gasoil, que formaban parte del Setting de ella. Estos 2 ductos se encuentran en el fondo de calderas gasoil para dar paso a la chimenea.
Estos pasos, en calderas gasoil tipo Lancashire, fueron concebidos en un intento por extraer la máxima cantidad de energía de los productos de combustión calientes, los que en diseños anteriores se liberaban a la atmósfera. Normalmente la corriente de gasoiles pasaba por un economizador antes de entrar a la chimenea, el que calentaba el agua de la caldera mejorando su eficiencia térmica.
Durante mucho tiempo se fabricaron calderas gasoil de distintos tamaños. No obstante, la más pequeña de ellas medía aproximadamente 5,5 m. de largo por 2 m. de diámetro. La más grande era de aproximadamente 10 m. de largo por 3 m. de diámetro. La producción de vapor variaba desde 1.500 kg/h hasta aproximadamente 6.500 kg/h. Las calderas gasoil Lancashire podían trabajar a presiones de hasta 17 Barg.
Contenían un gran volumen de agua, lo que se traducía en una gran capacidad de almacenamiento de energía, con lo que podían responder fácilmente a demandas repentinas de vapor. El gran volumen de agua contenida significaba también que el control del nivel y de la calidad del agua no era tan crítico como en las calderas modernas.
Una de las desventajas de este tipo de calderas era que después de repetidos calentamientos y enfriamientos, las expansiones y contracciones se traducían en deterioro del la mampostería (setting). Esto generaba infiltraciones de aire parásito, que desequilibraba el tiro de calderas gasoil, a la vez que disminuía su eficiencia.
La introducción de las calderas gasoil pirotubulares multitubos significó la eventual muerte de las calderas gasoil tipo Lancashire, pues éstas eran más pequeñas y más eficientes.
calderas gasoil Tipo Cochran
Fue la invención de Edward Comnton la que se transformaría en la famosa calderas gasoil Cochran. La principal novedad fue la introducción de tubos horizontales en un manto cilíndrico vertical por medio de placas tubulares bridadas. El diseño fue exhibido por primera vez en la exposición Real de Agricultura, en Bristol, el año 1878. El hecho que la caldera fuera vertical, se traducía en un pequeño tamaño con la eficiencia de las calderas gasoil tubulares. La caja de humo era parte decalderas gasoil, con la chimenea apernada a un lado.
Las calderas gasoil Cochran rápidamente ganaron reputación gracias a su gran confiabilidad, flexibilidad y gran calidad de fabricación. De hecho, muy pocos barcos a vapor en circulación en los inicios del siglo veinte no tenían calderas gasoil Cochran como caldera auxiliar a la caldera principal.
calderas gasoil Económica
Este diseño correspondió a una mejora de calderas gasoil Lancashire. Estaba constituida por un manto cilíndrico exterior, el que contaba en su interior con 2 fogones o tubos de gran diámetro donde se instalaban las cámaras de combustión.
Los productos de combustión calientes dejaban los fogones por el fondo de la caldera entrando a una de ladrillos refractarios (fondo seco), donde los productos de combustión eran derivados hacia una gran cantidad de tubos de pequeño diámetro instalados por sobre los fogones.
Estos tubos constituían una gran superficie de transferencia de calor. Los productos de combustión dejaban calderas gasoil por el frente y a través de un ventilador de tiro inducido, para pasar luego a la chimenea.
Las calderas gasoil económica de 2 pasos tenía la mitad del tamaño de calderas gasoil tipo Lancashire y disponía de una eficiencia térmica varios puntos más alta. El rango de tamaño de las calderas gasoil Económicas era de aproximadamente 3 m. de largo y 1,7 m. de diámetro hasta aproximadamente 7 m. de largo y 4 m. de diámetro. La producción de vapor iba desde 1.000 kg/h hasta aproximadamente 15.000 kg/h.
Los Tubos “Sinuflo”
Hasta la invención y la patente de los famosos tubos Sinuflo, por Percy St. G. Kirke, las calderas gasoil de combustión de gasoil eran muy ineficientes. Tomando su nombre de su forma sinusoidal, el tubo sinuflo lo cambió todo, permitiendo que el gasoil caliente transfiriera en todo el largo del tubo la mayor parte del calor hacia el agua.
En 1934 las calderas gasoil Cochran alcanzaron un acuerdo con Kirke y lanzaron una línea de calderas gasoil horizontales recuperadoras de calor. Fueron muy exitosas, ideales para generar vapor a partir de gasoiles calientes residuales provenientes de los procesos de las industrias del gasoil y del acero.
La sobresaliente eficiencia térmica de los tubos Sinuflo, significó que más tarde fueran incorporados por todos los fabricantes de calderas gasoil en el mundo. La Caldera Económica de Cochran lanzada al mercado en 1940, incluía un ventilador de tiro inducido, una gran cámara de combustión y un excepcionalmente fácil acceso a su interior, marcando un hito en el diseño de calderas gasoil.
Las calderas gasoil Cochran Serie II
Para satisfacer la demanda de eficiencias más altas, equipos más compactos, automatización de la operación, requeridos durante las tareas de reconstrucción durante la post guerra en Inglaterra -tanto del Gobierno como de la industria- fue vital enfatizar los esfuerzos en las áreas de investigación y desarrollo. Como resultado de este esfuerzo, en 1959 se lanzaron al mercado las calderas gasoil verticales Cochran Serie II, diseñadas, especialmente, de acuerdo a los mencionados criterios.
Este diseño alcanzaba eficiencias térmicas de más de 80% (PCS) y una gran producción de vapor para su tamaño. Su operación podía ser completamente automática, operando tanto con combustibles líquidos como sólidos. La mayoría de ellas fue construida mediante uniones soldadas, método estándar a partir de 1960.
calderas gasoil Paquete
El concepto de la “Caldera Paquete” data desde 1950, y corresponde a una caldera completa con todos sus accesorios, quemador para la combustión de petróleo o gasoil, bombas de agua, controles automáticos todos montados como una unidad en una base compacta para transporte, ensamblada en fábrica.
La mejora en los materiales y en los procesos de fabricación se tradujo en que se podían instalar más tubos en cada unidad.
En los primeros años de desarrollo de las calderas gasoil, éstas eran equipos largos y requerían grandes superficies para su instalación.
Forzando los gasoiles a cambiar de dirección para hacerlos pasar por tubos, se consiguió acortar las calderas gasoil, mejorando notablemente las tasas de transferencia de calor. La caldera paquete multitubular moderna es el estado actual de este proceso evolutivo.
Estas calderas gasoil se clasifican de acuerdo al número de pasos; es decir, de acuerdo al número de veces que los productos de combustión calientes pasan a través de la caldera. El diseño más común corresponde a las calderas gasoil de tres pasos, siendo el primero de ellos la cámara de combustión y los dos siguientes los pasos a través de los tubos.
calderas gasoil de Llama Reversa
Este diseño es una variación del diseño convencional de calderas gasoil. La cámara de combustión tiene la forma de un dedal; el quemador está instalado en su extremo abierto normalmente por debajo del centro. La llama retorna sobre sí misma dentro de la cámara de combustión para volver hacia el frente de calderas gasoil. Los tubos de humo rodean el dedal y permiten el paso de los productos de combustión calientes a la parte trasera de la caldera y a la chimenea.
Cuando James Watt observo que se podría utilizar el vapor como un fuerza económica que remplazaría la fuerza animal y manual, se empezó a desarrollar la fabricación de calderas gasoil, hasta llegar a las que actualmente tienen mayor uso en las distintas industrias de nuestro país.
Las primeras calderas gasoil tenían el inconveniente que los gasoiles calientes estaban en contacto solamente con su base, y en consecuencia se aprovechaba mal el calor del combustible. Debido a esto las instalaciones industriales fueron perfeccionándose, colocándose el hogar en el interior de la caldera y posteriormente se le introdujeron tubos, para aumentar la superficie de calefacción. Si por el interior de los tubos circulan gasoiles o agua, se les clasifican en calderas gasoil igneotubulares (tubos de Humo) y calderas gasoil acuotubulares (Tubos de agua) .
calderas gasoil Igneotubulares o Pirotubulares:
Son aquellas en que los gasoiles y humos provenientes de la combustión pasan por tubos que se encuentran sumergidos en el agua.
Ventajas:
Menor costo inicial debido a su simplicidad de diseño.
Mayor flexibilidad de operación
Menores exigencias de pureza en el agua de alimentación.
Inconvenientes:
Mayor tamaño y peso.
Mayor tiempo para subir presión y entrar en funcionamiento.
No son empleables para altas presiones
calderas gasoil Acuotubulares:
Son aquellas en que los gasoiles y humos provenientes de la combustión rodean tubos por cuyo interior circula agua.
Ventajas:
Pueden ser puestas en marcha rápidamente.
Son pequeñas y eficientes.
Trabajan a 30 o mas atm.
Inconvenientes:
Mayor costo
Debe ser alimentadas con agua de gran pureza.
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