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En la siguiente sesión de formación encontrará todo lo que necesita saber sobre el tema "gases de combustión".
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Debido al creciente uso de la combustión en todas sus formas, el medio ambiente está siendo expuesto a cantidades cada vez mayores de contaminantes. Una vez han emitido su calor a las superficies de calefacción de un generador de calor, se denominan gases de combustión. La formación de smog, la producción de lluvia ácida y la creciente incidencia de alergias son consecuencias directas de esta tendencia.
La forma de recuperar la energía respetuosamente con el medio ambiente debe ser, por consiguiente limitando los contaminantes. Los gases de combustión contaminantes solo se pueden limitar con efectividad si las instalaciones existentes se operan con la mayor eficiencia posible o si se cierran las instalaciones de combustión contaminantes. Se determinan las concentraciones de contaminantes y las instalaciones de calefacción se ajustan a los valores mejores posibles por medio del análisis de los gases de combustión.
Los elementos encontrados en los gases de combustión se listan a continuación en orden de importancia de sus concentraciones en los gases de combustión.
Nitrógeno (N2):
El nitrógeno (N2) es el elemento principal en el aire que respiramos (79 % vol.). Este gas incoloro, inodoro e insípido, no toma parte en la combustión. Pasa por la instalación de combustión como inerte y se conduce, calentado, a la chimenea.
Valores típicos en los gases de combustión: Instalaciones de combustión de petróleo / gas: 78% - 80%
Anhídrido carbónico (CO2):
El anhídrido carbónico es un gas incoloro e insípido con un ligero gusto ácido. Bajo el efecto de la luz del sol y el pigmento de las hojas verdes, la clorofila, las plantas convierten el anhídrido carbónico (CO2) a oxígeno (O2).
La respiración de las personas y animales vuelve a convertir el oxígeno (O2) en anhídrido carbónico (CO2). Esto sería un equilibrio pero es perturbado por los gases de combustión.
Esta perturbación incrementa el efecto invernadero. La concentración máxima permitida de anhídrido carbónico (CO2) en el puesto de trabajo es de 5000 ppm.
Se produce inmediatamente la pérdida de consciencia tan pronto como la concentración en el aire inhalado supera el 15 % en volumen (150.000 ppm).
Valores típicos en los gases de combustión: Instalaciones de combustión de petróleo: 12,5% - 14%
Instalaciones de combustión de gas: 8% - 11%
Vapor de agua (humedad):
El hidrógeno contenido en el combustible se une con oxígeno para formar agua (H2O). Dependiendo de la temperatura de los gases de combustión (FT), luego aparece conjuntamente con el agua del combustible y el aire de la combustión o como humedad de los gases de combustión (a FT alta) o como condensado (a FT baja).
Oxígeno (O2):
El resto del oxígeno no utilizado en el proceso de combustión si hay exceso de aire aparece como parte gaseosa de los gases de combustión y es una medida de la efectividad de la combustión. Se utiliza para calcular las pérdidas en los gases de combustión y el contenido en anhídrido carbónico.
Valores típicos en los gases de combustión: Instalaciones de combustión de petróleo: 2% - 5%
Instalaciones de combustión de gas: 2% - 6%
Monóxido de carbono (CO):
El monóxido de carbono es un veneno respiratorio, incoloro e inodoro, y producto de la combustión incompleta. Si la concentración supera un nivel determinado, impide la absorción de oxígeno por la sangre. Si, por ejemplo, el aire inhalado en un recinto contiene 700 ppm de CO, el que inhale el aire morirá en menos de 3 horas. La concentración máxima permitida de monóxido de carbono (CO) en el puesto de trabajo es 50 ppm.
Valores típicos en los gases de combustión:
Instalaciones de combustión de petróleo: 80 ppm - 150 ppm
Instalaciones de combustión de gas: 80 ppm - 100 ppm
Óxidos de nitrógeno (NOx):
A temperaturas elevadas (combustión), el nitrógeno (N2) en el combustible y en el aire ambiente se une con el oxígeno del aire (O2) para formar óxido nítrico (NO). Después de un cierto tiempo, este gas incoloro se oxida combinándose con oxígeno (O2) para formar dióxido de nitrógeno (NO2). El NO2 es un veneno respiratorio soluble en agua que si se inhala produce graves daños a los pulmones y que combinado con la radiación ultravioleta (luz solar) contribuye a la formación de ozono. La suma de los componentes NO y NO2 se denomina como óxidos de nitrógeno (NOx).
Valores típicos en los gases de combustión:
Instalaciones de combustión de petróleo / gas: 50 ppm -100 ppm
Anhídrido sulfuroso (SO2):
El anhídrido sulfuroso (SO2) es un gas incoloro y tóxico con un olor picante. Es producido por el azufre contenido en el combustible. La concentración máxima permitida en el lugar de trabajo es 5 ppm. En combinación con agua (H2O) o condensado, genera ácido sulfuroso (H2SO3).
Valor típico en los gases de combustión de las instalaciones de combustión de petróleo: 180 ppm -220 ppm
Hidrocarburos inquemados (CxHy):
Los hidrocarburos inquemados (CxHy) se producen en caso de combustión incompleta y contribuyen al efecto invernadero. Este grupo de sustancias incluye el metano (CH4), butano (C4H10) y benceno (C6H6).
Valor típico en los gases de combustión de instalaciones de combustión de petróleo: inferior a 50 ppm
Hollín:
El hollín está compuesto, casi exclusivamente, por carbono (C) puro y se produce en caso de combustión incompleta.
Valor típico en los gases de combustión de instalaciones de combustión de petróleo: Índice de humo 0 o 1
Polvo:
El polvo hace referencia a los materiales sólidos diminutos distribuidos en el aire, que pueden estar presentes en cualquier forma y densidad. El polvo se produce a partir de las cenizas y de los constituyentes minerales de los combustibles sólidos.
La concentración de los constituyentes del gas es un indicador de la presencia de contaminantes en los humos.
Generalmente se utilizan las siguientes unidades:
ppm (partes por millón):
Al igual que el "porcentaje (%)", la unidad ppm representa una relación. Porcentaje significa "un número determinado de partes por cada cien partes"; ppm significa "un número determinado de partes por millón de partes". Si, por ejemplo, una botella de gas contiene 250 ppm de monóxido de carbono (CO), esto significa que si se extraen de esta botella un millón de moléculas de gas, 250 de ellas serán moléculas de monóxido de carbono. El resto de las 999.750 moléculas son moléculas de dióxido de nitrógeno (N2) y de oxígeno (O2). La unidad ppm no depende de la presión ni de la temperatura y se utiliza para concentraciones más bajas. Si están presentes concentraciones mayores, éstas se especifican en porcentaje (%). Los porcentajes se convierten como sigue:
10.000 ppm = 1%
1.000 ppm = 0,1%
100 ppm = 0,01%
10 ppm = 0,001%
1 ppm = 0,0001%
Una concentración de oxígeno de 21% vol. correspondería a una concentración de 210.000 ppm de O2.
mg/Nm3 (miligramos por metro cúbico):
Con la unidad mg/Nm3, se utiliza como variable de referencia el volumen normal (metros cúbicos normales, Nm3) y la masa del gas nocivo se especifica en miligramos (mg). Como esta unidad depende de la presión y de la temperatura, se utiliza como referencia el volumen en condiciones normales; estos se definen como sigue:
Temperatura: 0 °C
Presión: 1013 mbar (hPa)
No obstante, esta especificación sola no es definitoria ya que las proporciones en volumen en los gases de combustión cambian según el contenido de oxígeno (dilución de los gases de combustión con el aire ambiente). Por consiguiente las lecturas se deben convertir a un determinado volumen de oxígeno, el contenido de oxígeno de referencia (O2 de referencia). Solamente las especificaciones con el mismo oxígeno de referencia son comparables directamente. El contenido de oxígeno (O2) medido en los gases de combustión también se requiere para la conversión de ppm a mg/Nm3. Las conversiones para monóxido de carbono (CO), óxido nítrico (NOX) y anhídrido sulfuroso (SO2) se describen a continuación.
Los factores contenidos en las fórmulas corresponden a la densidad normal de los gases en mg/m³.
Conversión:
mg/kWh (miligramos por kilovatio hora de energía usada):
Para determinar las concentraciones de gases nocivos en la unidad basada en la energía, mg/kWh, los cálculos se realizan usando datos específicos del combustible. Por consiguiente hay factores de conversión diferentes dependiendo del combustible. Los factores de conversión para ppm y mg/m3 en la unidad basada en la energía, mg/kWh, se muestran a continuación. No obstante, antes de la conversión a mg/kWh, las concentraciones de los valores de las emisiones medidas se deben convertir a gases de combustión sin diluir (0% de contenido de oxígeno de referencia).
En el caso de los combustibles sólidos, los factores de conversión también dependen de la forma en la que está presente el combustible (en forma de trozos, astillas, polvo, virutas, etc.).
Testo ofrece tres categorías de sondas de muestreo según los usos:
La formación de condensados y por consiguiente el alcance para influir en las concentraciones de SO2 y NO2 también depende del tiempo disponible para una reacción.
Aquí tienen un efecto positivo las velocidades de flujo. Con esto en mente, testo ha abordado ahora un nuevo avance en el cual la manguera ya no se ha de calentar.
La manguera que conduce el gas tiene un diámetro pequeño, lo cual genera altas velocidades.
El material usado es PTFE, que es conocido por sus extremadamente bajas tasas de absorción.
La parte fundamental de cualquier analizador son los sensores o sistemas de sensores específicos de la sustancia. Su funcionamiento se basa en principios físicos o químicos tales como absorción, adsorción, transmisión, ionización, oxidación catalítica o propiedades paramagnéticas o electroquímicas. Los sensores reaccionan a un cambio en el parámetro con un cambio correspondiente en su propiedad (por ejemplo, mayor absorción de luz o reducción de la conductividad), a partir de lo cual se puede conformar la señal de medida.
Los principales grupos de sensores son:
Tipos de sensores utilizados por Testo:
En el sistema juridico español, un Real Decreto es una norma juridica con rango de reglamento, que emana del poder ejecutivo (el Gobierno), en nombre del Rey de España, y en virtud de las competencias prescritas en la Constitucion.
Hay 3 Reales Decretos que determinan las emisiones:
REAL DECRETO 833/1975:
De 6 de febrero, por el que, se desarrolla la Ley 38/1972, de 22 de diciembre, de protección del ambiente atmosférico.
Esta ley establece las líneas generales de actuación del Gobierno y servicios especializados de la Administración Pública para prevenir, vigilar y corregir las situaciones de contaminación atmosférica, cualesquiera que sean las causas que la produzcan.
Como se señala en la exposición de motivos de la Ley de Protección del Ambiente Atmosférico, el problema de la contaminación atmosférica tiene dos vertientes:
La de las inmisiones (calidad del aire) y la de la emisiones de contaminantes procedentes del ejercicio de ciertas actividades. En este sentido, el desarrollo de la Ley deberá constar de dos partes bien diferenciadas, atendiendo la primera a los aspectos técnico-económicos. Dentro de la primera vertiente antes citada, el presente Decreto establece los niveles de inmisión (normas de calidad del aire). Tambien de dedica una especial atención en la primera parte del Decreto a la caracterización de las zonas de atmósfera conterminaza, de acuerdo con lo previsto en el artículo quinto de la Ley, y las situaciones de emergencia, así como al procedimiento para llegar a declaraciones de esta naturaleza.
El aspecto de las emisiones es contemplado en la segunda parte de este Decreto. A tal fin, en cumplimiento de lo establecido en el artículo tercero, número tres, se incluye un “Catálogo de actividades potencialmente contaminadoras de la atmósfera”. Por otra parte, en aplicación de lo dispuesto en el artículo tercero, número uno, se fijan los niveles de emisión de contaminantes a la atmósfera de las principales actividades industriales potencialmente contaminadoras, que los titulares de focos emisores estarán obligados a respetar.
Ejemplo:
REAL DECRETO 653/2003:
De 30 de mayo, sobre incineración de residuos.
Este Real Decreto tiene por objeto establecer las medidas a que deben ajustarse las actividades de incineración y coincineración de residuos, con la finalidad de impedir o limitar los riesgos para la salud humana y los efectos negativos sobre el medio ambiente derivados de estas actividades. Para alcanzar los objetivos anteriores, se establecen condiciones y requisitos para el funcionamiento de las instalaciones de incineración y coincineración de residuos, así como valores límite de emisión de contaminantes, que deberán ser respetados sin perjuicio de las obligaciones establecidas en la legislación sobre residuos, contaminación atmosférica, aguas, costas y prevención y control integrados de la contaminación.
REAL DECRETO 430/2004:
De 12 de marzo, por el que se establecen nuevas normas sobre limitación de emisiones a la atmósfera de determinados agentes contaminantes procedentes de grandes instalaciones de combustión, y se fijan ciertas condiciones para el control de las emisiones a la atmósfera de las refinerías de petróleo.
España, mediante este Real Decreto, ha optado por establecer un plan nacional de reducción de emisiones para las grandes instalaciones de combustión existentes, que será llevado a cabo por la Administración General del estado, previa consulta a las Comunidades Autónomas, de modo tal que, a más tardar el 1 de enero de 2008, se consigan azufre (SO2) y partículas de las instalaciones existentes, similares a las que se hubieran alcanzado aplicando los valores límite de emisión establecido por este Real Decreto para las nuevas instalaciones.
Índice de humo:
Para determinar el índice de humo, una determinada cantidad de gases de combustión se aspira a través de un papel de filtro mediante un determinado número de carreras de bombeo de un dispositivo similar a una bomba de bicicleta.
La densidad de la mancha creada en el papel de filtro se compara frente a una escala con varios tonos de gris numerados.
El índice de humo (según Bacharach) así obtenido está entre 0 y 9. El índice de humo no se determina en los quemadores de gas.
Derivados del petróleo (residuos de petróleo):
Si la combustión es incompleta debido a atomización insuficiente, los hidrocarburos inquemados (CXHY) se recogen en el papel de filtro usado para la medición de los humos.
Estos se pueden identificar por observación y verificar utilizando un disolvente (Acetona).
Temperatura del aire de combustión (AT):
La temperatura del aire de combustión se mide en la abertura de admisión del quemador.
Para instalaciones de combustión que no dependen del aire ambiente, la temperatura se debe medir en un lugar apropiado en la tubería de suministro (Siempre que se pueda a la vez que la FT).
Temperatura de los gases de combustión (FT) en el centro del flujo:
La temperatura de los gases de combustión se mide en el centro del flujo de los gases de combustión (centro del flujo).
La temperatura y la concentración de anhídrido carbónico (CO2) están aquí a su nivel más alto y el contenido de oxígeno (O2) está en el más bajo.
Fuerza ascensional / tiro de la chimenea:
Para las calderas de tiro natural, la fuerza ascensional o tiro de la chimenea es el requisito básico para impulsar los gases de combustión a través de la chimenea.
Debido a la menor densidad de los gases de combustión calientes en comparación con el aire exterior más frío, se genera un vacío en la chimenea, que también se denomina tiro de la chimenea.
Como consecuencia de este vacío, el aire de la combustión es aspirado, venciendo todas las resistencias de la caldera y del conducto de gases de combustión. En el caso de calderas presurizadas, las presiones en la chimenea no son importantes, ya que el ventilador del quemador genera la presión positiva necesaria para impulsar los gases de combustión.
En estas calderas se puede usar un diámetro de chimenea menor.
Concentración de monóxido de carbono (CO):
La concentración de monóxido de carbono se mide en las instalaciones de gas atmosféricas utilizando una sonda multiorificio.
La concentración de CO de los gases de combustión en estas instalaciones no es la misma en todas, y las líneas individuales pueden tener una concentración superior.
Por consiguiente se usa una sonda multiorificio, que registra y mide la concentración de monóxido de carbono (CO) a través de todo el diámetro del conducto de los gases de combustión.
Las lecturas de CO se convierten luego a gases de combustión sin diluir y se presentan como CO sin diluir (puCO).
Óxidos de nitrógeno (NOX):
Medir los óxidos de nitrógeno es una forma de comprobar las medidas relacionadas con la combustión para reducir las emisiones de óxido nítrico de las instalaciones de combustión.
Los óxidos de nitrógeno (NOX) hacen referencia a la suma de óxido nítrico (NO) y dióxido de nitrógeno (NO2).
La relación entre el NO y el NO2 siempre es la misma (97% NO, 3% NO2) en las calderas pequeñas (aparte de las calderas de condensación).
Por esta razón, los óxidos de nitrógeno NOX se calculan normalmente después que se ha medido el óxido nítrico NO.
Si se requieren mediciones precisas de los óxidos de nitrógeno (NOX), se deben medir las concentraciones de óxido nítrico (NO) y de dióxido de nitrógeno (NO2) por separado y sumarse.
Oxígeno (O2;):
El contenido de O2 se mide directamente en el centro del flujo de los gases de combustión. El sensor se pone a cero, generalmente, en el aire ambiente (21% de contenido de oxígeno). Las pérdidas en los gases de combustión, el CO2, el exceso de aire y el rendimiento, se calculan usando el contenido de O2.
Presión del flujo:
Para comprobar los calentadores a gas, se debe medir la presión del flujo del gas en la tubería de suministro y comprobarse el cumplimiento del valor prescrito por el fabricante. Esto se hace midiendo la presión diferencial. La medición de la presión diferencial también se requiere para ajustar la presión del chiclé en los calentadores a gas, lo cual, a su vez, ajusta la capacidad del dispositivo al calor necesario.
Pérdidas en los gases de combustión (qA):
Las pérdidas en los gases de combustión son la diferencia entre el contenido calorífico de los gases de combustión y el contenido calorífico del aire de la combustión, con relación al poder calorífico neto del combustible.
Es por consiguiente una medida del contenido calorífico de los gases de combustión derivado a través de la chimenea. Cuanto mayores son las pérdidas en los gases de combustión, más bajo es el rendimiento y por consiguiente la explotación de la energía y mayores son las emisiones de una instalación de calefacción.
Por esta razón, están limitadas las pérdidas permitidas en los gases de combustión de las instalaciones de combustión. Una vez que se ha determinado el contenido de oxígeno y la diferencia entre las temperaturas de los gases de combustión y del aire de combustión, las pérdidas en los gases de combustión se pueden calcular usando los factores específicos del combustible.
También se puede usar para el cálculo la concentración de anhídrido carbónico (CO2) en vez del contenido de oxígeno. La temperatura de los gases de combustión (FT) y el contenido de oxígeno o de anhídrido carbónico (CO2) se deben medir al mismo tiempo en un punto.
La AT también se debe medir al mismo tiempo.
Ajuste ideal para la instalación de calefacción:
Encontrar el ajuste ideal para la instalación de calefacción calculando las pérdidas en los gases de combustión merece la pena:
1% de pérdidas en los gases de combustión = 1% de consumo de combustible adicional o
Pérdidas de energía/año = pérdidas en los gases de combustión x consumo de combustible/año
Esto se puede ilustrar mediante el siguiente supuesto:
Pérdidas en los gases de combustión calculadas = 10%
Consumo de combustible/año = 3000 l de fueloil
Basándose en esto, las pérdidas energéticas corresponden a 300 l de petróleo de calefacción/año
Concentración de anhídrido carbónico (CO2):
La calidad (rendimiento) de la instalación de combustión se puede ver a partir del contenido en anhídrido carbónico de los gases de combustión.
Si está presente el contenido máximo posible de CO2 con el mínimo exceso de aire (combustión completa), entonces las pérdidas en los gases de combustión serán lo más bajas.
Para cada combustible hay un contenido de CO2 máximo posible (CO2 max) en los gases de combustión, que está determinado por la composición química del combustible. No obstante, este valor no se puede alcanzar en la práctica.
Valores máximos de CO2 para diversos combustibles:
- Fueloil ligero 15,4 % vol. CO2
- Gas natural 11,8 % vol. CO2
- Carbón 18,5 % vol. CO
Los valores de CO2 en los gases de combustión se calculan usando los valores máximos de CO2 y el contenido de oxígeno de los gases de combustión.
Exceso de aire:
El oxígeno necesario para la combustión se suministra a la instalación de calefacción mediante el aire de combustión. Para conseguir una combustión completa, es necesario suministrar más volumen de aire que el teóricamente necesario para la combustión.
La proporción del exceso de aire de combustión al aire teórico necesario se denomina como exceso de aire y se simboliza Lambda.
El exceso de aire se determina basándose en la concentración de los componentes de los gases de combustión CO, CO2 y O2. Las correlaciones se muestran en lo que se denomina el diagrama de la combustión.
En la combustión, cada contenido de CO2 tiene un determinado contenido en CO (donde hay insuficiencia de aire Lambda < 1) o en O2 (donde hay exceso de aire Lambda > 1).
Si el valor del CO2 es superior a un límite máximo, no es un indicador claro por sí mismo, de modo que también se requiere una medición de CO u O2 adicional.
Para el funcionamiento con exceso de aire (lo normal), ya se prefiere, en general, la medición del O2. Hay un diagrama específico y un valor máximo de CO2 aparte para cada combustible.
Diagrama de la combustión:
Rendimiento:
El rendimiento de la combustión hace referencia al aporte de energía y, por consiguiente, al poder calorífico inferior neto Hl.
El rendimiento se obtiene tomando el 100% del poder calorífico inferior neto Hl y restando de éste las pérdidas en los gases de combustión en porcentaje.
El rendimiento se puede mejorar, y por consiguiente reducir las pérdidas en los gases de combustión, precalentando el aire de la combustión y el combustible.
Temperatura del punto de rocío:
El punto de rocío de un gas es la temperatura a la que la humedad contenida en el gas cambia del estado gaseoso al líquido. Esta transición se conoce como condensación y el líquido que produce se llama condensado.
La humedad aparece en estado líquido por debajo del punto de rocío y en estado gaseoso por encima del punto de rocío. Un ejemplo de esto es la formación y evaporación de la niebla o el rocío a medida que cambia la temperatura.
El contenido de humedad determina la temperatura del punto de rocío. El aire con un 30 % de contenido de humedad tiene un punto de rocío alrededor de 70 °C, mientras que el punto de rocío del aire seco con un contenido de humedad de solo el 5 % es aproximadamente 35 °C.
Contenido de vapor de agua como función del punto de rocío:
Procedimiento para la medición y evaluación de las emisiones de las instalaciones de combustión
En refinerías de petróleo, en plantas petroquímicas y en plantas de obtención de lubricantes, se dispondrá de medidores en continuo de las emisiones de SO2 , partículas y NOx en chimeneas o en los conductos de salida de humos que tengan conectados instalaciones de combustión cuyas potencias sumen más de 50 KW térmicos.
No obstante lo dispuesto en el texto anterior, no será necesaria la medición continua en los siguientes casos:
Cuando no sean necesarias las mediciones continuas, se exigirán mediciones discontinuas al menos cada seis meses. Como alternativa, podrán utilizarse procedimientos adecuados de determinación, que la administración competente deberá verificar y aprobar, para evaluar la cantidad de los contaminantes anteriormente mencionados presentes en las emisiones. Dichos procedimientos utilizarán las normas CEN pertinentes tan pronto como estas estén disponibles. En caso de no disponerse de normas CEN, se aplicarán las normas ISO u otras normas nacionales o internacionales que garanticen la obtención de datos de calidad científica equivalente.
Determinación del total anual de emisiones de las instalaciones de combustión