Fundamentos de la Combustión: Procesos Químicos, Cinética y Propiedades Térmicas

Combustión

1. Proceso Químico de la Combustión

Es una reacción de oxidación que desprende mucho calor. Es necesario alcanzar altas temperaturas, aunque no necesariamente en toda la masa o volumen. Desprende luz, siendo la llama la apreciación visual del fenómeno.

• Combustión lenta: No hay llama (ejemplo: coque).
• Combustión rápida o viva: Sí hay llama (gas incandescente, combustibles líquidos y sólidos).

Elementos Fundamentales

• Combustible: Componente que estamos quemando; contiene energía química que se libera en la combustión en forma de calor.
• Comburente: Oxidante del combustible. El aire es el más usado, aunque también se emplea $O_2$ puro.

2. El Aire en la Combustión

El aire es una mezcla de gases (79% $N_2$, 21% $O_2$, y otros). La oxigeneración u oxicombustión es la oxidación con $O_2$ puro.

Relación Aire / Combustible

• Combustión estequiométrica: Se utiliza el aire justo y necesario para la combustión completa.
• Combustión en exceso de aire: Se aporta más aire del necesario; esto diluye los gases de combustión y la temperatura, haciendo que el calor de los gases sea difícil de capturar.
• Combustión en defecto de aire: Menos aire del necesario; no se aprovecha bien el combustible y se produce la creación de monóxido de carbono ($CO$), el cual es tóxico.

3. La Llama de la Combustión

La llama visual es la radiación emitida en la fase visible del espectro al encontrarse los gases incandescentes a altas temperaturas.

• Frente de llama: Zona en la que se está produciendo la combustión; es la zona activa. Fuera de la llama no se produce la combustión.

Clasificación de las Llamas

• Llamas de premezcla: El combustible y el aire se mezclan antes de entrar a la cámara de combustión.
• Llamas de difusión: El combustible y el aire se mezclan en la cámara de combustión. Es una combustión lenta, menos eficaz, con menor temperatura, donde se forman productos quemados y la coloración de la llama varía de amarillo a rojizo.

4. Productos de la Combustión

Los humos de combustión se componen de:

• Productos de combustión total: $CO_2$, $H_2O$.
• Productos de combustión incompleta: $CO$, $H_2$, compuestos orgánicos oxigenados.
• Óxidos de azufre ($SO_x$): $SO_2$, $SO_3$, cuyo origen proviene del azufre presente en el combustible.
• Óxidos de nitrógeno ($NO_x$): $NO$, $NO_2$, cuyo origen puede ser el combustible o los $NO_x$ térmicos (si la temperatura supera los 1200ºC, el nitrógeno deja de ser inerte y reacciona).
• Gases inalterados: $N_2$, $O_2$.
• Cenizas: Productos sólidos de composición poco definida. Pueden ser inertes (no se oxidan) o inquemados (material oxidable cuya combustión no ha sido eficaz y se ha descompuesto en materia orgánica, generando hollín). Si las partículas de ceniza son grandes, se quedan en la cámara de combustión; si son pequeñas, se van con los gases de combustión, resultando altamente tóxicas y muy negativas para el medio ambiente y los equipos.

5. Mecanismo y Cinética de la Combustión

Es un proceso difícil de controlar debido a que su mecanismo químico es muy largo. Desde el punto de vista cinético, es un proceso muy rápido, siendo casi instantáneo una vez mezclado el combustible con el comburente. Al aumentar la temperatura, aumenta la velocidad de reacción.

6. Propiedades de los Combustibles

• Composición: Depende del estado físico del combustible:
  • Gaseosos: % moles $\leftrightarrow$ % volumen.
  • Líquidos y sólidos: % en peso de $C$, $H$, $N$, $S$, $O$, $H_2O$ y cenizas inertes.
• Poder calorífico: Medida de la energía química que contiene el combustible y que se libera en la combustión.
  • Poder Calorífico Superior (PCS): El agua se encuentra como líquido; este poder calorífico incluye el calor latente de condensación del agua.
  • Poder Calorífico Inferior (PCI): El agua se encuentra como vapor. Se cumple que $PCS > PCI$. Se suele utilizar el PCI porque ofrece una imagen más realista del calor que se puede aprovechar. Se puede calcular mediante las entalpías de reacción de los componentes, con correlaciones (en líquidos) o fórmulas específicas (fuelóleo).
• Viscosidad: Mide la resistencia al desplazamiento del fluido.
  • Combustibles gaseosos: A mayor temperatura, mayor viscosidad ($\uparrow T \rightarrow \uparrow \mu$).
  • Combustibles líquidos: A mayor temperatura, menor viscosidad ($\uparrow T \rightarrow \downarrow \mu$).