Esta entrada de blog está destinada a explicar, sin entrar en mucho detalle, qué son los combustibles y algunas características pertinentes a resaltar de los mismos. Así que sin más que añadir, demos inicio a este tema.
Introducción.
Los combustibles son sustancias orgánicas, empleadas para la obtención de energía (calor) a partir de su combustión. La gran parte de los combustibles están compuestos principalmente por hidrógeno y carbono, recibiendo el nombre de hidrocarburos, llevando por fórmula general CnHm. De una forma genérica, los combustibles son clasificados en sólidos, líquidos y gaseosos.
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| Clasificación de los combustibles según su estado de agregación. |
Los combustibles cuentan con algunas características importantes que vale la pena describir, a razón de comprender de mejor forma su comportamiento en la producción de energía.
Poder calorífico. Se trata del calor desprendido debido a la combustión de la cantidad unitaria de combustible. En el caso de combustibles sólidos se emplea el peso; en líquidos se usa el peso o volumen y en gaseosos se emplea el volumen.
Poder calorífico superior. Es el calor desprendido cuando todos los productos de la combustión se han enfriado hasta llegar a temperatura ambiente. Se incluye el calor sensible y el calor latente de evaporación del agua contenida en los productos de la combustión.
Poder calorífico inferior. Corresponde al poder calorífico superior, menos los calores sensibles y latentes del agua de los productos de la combustión cuando éstos se enfrían.
Poder calorífico inferior. Corresponde al poder calorífico superior, menos los calores sensibles y latentes del agua de los productos de la combustión cuando éstos se enfrían.
Combustibles Sólidos.
Madera.
Características de la combustión de madera.
Turba.
Características de la combustión de la turba.
Lignitos.
Carbón.
Características de la combustión del carbón.
La madera es un material orgánico compuesto por celulosa y lignocelulosa, principalmente. Otros componentes inflamables son las resinas y las ceras; por otro lado, el componente no inflamable es el agua. Los árboles recién cortados presentan un contenido de agua que va entre 25 y 50%. En contraparte, la madera seca contiene entre un 10 y 15%. La variación de los componentes orgánicos determina el poder calorífico de una especie de madera en específico. Así por ejemplo, el poder calorífico de la celulosa es de 4.15 kcal/g, en tanto que para la resina y cera se aproximan a 9.45 kcal/g.
Características de la combustión de madera.
- Entra en ignición fácilmente.
- En trozos grandes se dificulta la combustión debido a la formación de capas de ceniza semifundidas en su superficie.
- Se produce una llama larga, de características no humeantes, cuando se quema con un exceso de aire.
- El aserrín quema con bastante facilidad.
Finalmente, la madera se ha empleado para la producción de gasógeno, el cual es un gas es empleado como combustible o para sintetizar amoniaco.
Se trata de una masa fibrosa parda de materia vegetal parcialmente descompuesta, que se ha acumulado en lugares inundados de agua. Su composición depende de la clase, profundidad y del yacimiento, así como de la edad. La turba de los pantanos está formada principalmente por musgo, en tanto que la turba de bosques se encuentra compuesta por productos de árboles descompuestos.
- Debido a su bajo poder calorífico y a su gran contenido de humedad, se reduce su temperatura en el horno.
- Cuando la turba es secada al aire, se puede obtener gasógeno con rendimientos que van del 80 al 85%.
Lignitos.
Los lignitos son carbones inmaduros de composición intermedia, entre la turba y los carbones bituminosos. Dentro de esta denominación se encuentran agrupados una gran diversidad de carbones, destacando los lignitos pardos y lignitos negros. Su importancia industrial radica en que a partir de su uso se obtiene la fabricación de gases de síntesis y gases empleados en las ciudades.
Se trata de una roca sedimentaria no homogénea, la cual está conformada por compuestos orgánicos e inorgánicos, los cuales están distribuidos en capas paralelas al plano de estratificación de la veta. En su momento el carbón representó un papel primordial en el rubro de los combustibles, pero hoy en día, éste se ha visto desplazado por los combustibles líquidos y gaseosos. No obstante, debido a que las reservas de carbón son más representativas que la del resto de los combustibles y aunado al desarrollo de nuevas tecnologías de hidrogenación y gasificación, se ha podido obtener combustibles líquidos y gaseosos a partil de él.
El carbón no es una sustancia pura, razón por la cual no posee una composición uniforme, en consecuencia no se le puede asignar una fórmula química definida. Sin embargo, el carbón se encuentra conformado por humedad, impurezas minerales, materiales volátiles y carbono fijo, aunque también se tiene presente un contenido de elementos como el hidrógeno, azufre, nitrógeno, oxígeno y cenizas donde estos elementos son contabilizados de una manera más minuciosa ya que son los que supondrán calor durante la combustión.
Características de la combustión del carbón.
Durante su almacenamiento los carbones sufren oxidación a baja temperatura. Si las condiciones de almacenamiento son inadecuadas y la velocidad de oxidación es alta, entonces se puede producir una combustión espontánea.
- La oxidación en carbones con alto contenido en volátiles es rápida, en tanto que la oxidación en carbones de bajo contenido en volátiles será es lenta.
- La velocidad de oxidación aumenta cuando el área superficial es incrementada.
- Cuando se lleva a cabo la oxidación se produce calor, el cual provoca un incremento de la temperatura en la masa del carbón, la cual cuando no es disipada, la reacción continuará.
- Si el aumento de la temperatura no excede un valor crítico (que puede variar desde 50 °C para lignitos hasta unos 80 °C para bituminosos), no se produce combustión espontánea, no obstante, hay un cambio en las propiedades físicas y químicas del carbón, variando en proporción del grado de oxidación.
- Si el incremento de la temperatura excede un valor crítico, la combustión espontánea se produce.
El coque se obtiene por medio de la carbonización (destilación destructiva), la cual consiste en la descomposición del carbón por acción del calor en ausencia de aire u oxígeno. Como consecuencia de este proceso, además del coque se obtienen productos líquidos y gaseosos que pueden ser ocupados como combustibles o productos químicos intermedios.
Antracita.
Se trata de un carbón de propiedades más duras y densas que el común, el cual posee un gran contenido de calor. Uno de los principales usos que se le da es en aplicaciones metalúrgicas y de gasificación.
Combustibles Líquidos.
Gasolina.
Querosenos.
Diesel.
Gas-oil.
Fuel-oil.
Gas natural.
Gas de hulla.
Gas de gasógeno.
Gas de alto horno.
Transformación de gases de petróleo en gas de ciudad.
Gas LP.
Hemos conocido de forma somera la naturaleza de los combustibles con los que estamos en contacto habitualmente, así como algunas características físicas y químicas de los mismos. No obstante, algo que debe destacar cuando se está en presencia de combustibles es la seguridad. Potencialmente estos son materiales peligrosos y si no son manipulados de forma correcta representan un alto riesgo de accidente, razón por la cual la atención que se tenga en un incidente que involucre combustibles debe ser controlada y supervisada estrictamente por personal calificado y en ningún caso personas ajenas deberán permanecer en las inmediaciones donde se localice el incidente.
Bibliografía.
Se trata de la mezcla de hidrocarburos obtenida a partir del proceso de destilación en diferentes fracciones. El proceso de destilación permite ajustar el mismo, según los intervalos de alimentaciones, que pueden ser desde crudos ligeros hasta los pesados. Dentro de las torres de destilación, los líquidos y vapores se separan por fracciones, de acuerdo a su peso molecular y temperatura de ebullición. Fracciones ligeras como la gasolina y gas LP, se vaporizan y se condensan en la parte superior de la torre. Los líquidos medianamente pesados como el queroseno y el diésel, son fraccionados en la parte media. En tanto que los líquidos más pesados son separados en el fondo.
Su obtención viene dada por la destilación del petróleo, en un rango de temperaturas comprendido entre 150 a 300 °C. Los querosenos se encuentran comprendidos entre las gasolinas y el gas-oil y su empleo queda confinado a:
- Aceites de combustión en sistemas de iluminación y calefacción.
- Querosenos industriales en producción de energía.
- Combustible para turbinas de gas.
- Combustibles para propulsores a chorro sin compresor.
Diesel.
La obtención del Diesel forma parte del proceso de destilación fraccionada del petróleo. Como se sabe, durante el proceso de destilación por cada sección se obtienen diferentes productos, por ejemplo para el caso del metano, etano, propano y butano, siendo gases son los primeros que se consiguen en dicho proceso. Al incrementarse los puntos de ebullición, los productos se deben obtener por destilación en refinerías, así pues, se logran conseguir gasolinas, querosenos así como el Diesel. Productos más pesados como los aceites lubricantes se obtiene al final. El Diesel es empleado para uso en calefacciones y en motores que llevan su nombre.
Gas-oil.
El gas oil al igual que el aceite Diesel es un derivado de la destilación del petróleo que hierve en el rango de temperaturas de los 400 a 700 °C. Las aplicaciones que tiene como combustible en hornos domésticos e industriales de baja capacidad. Aunque también se le emplea para la fabricación de gas de agua carburado, así como el de otros que son obtenidos del aceite por reacción del vapor de agua en presencia de catalizadores.
Fuel-oil.
El fuel-oil está basado en procedimientos de destilación y reforming, pudiendo ser productos de destilación directa obtenidos por procesos de destilación atmosférica o por vacío o la mezcla de los anteriores incluyendo fracciones de aceites residuales.
Combustibles Gaseosos.
Gas natural.
El gas natural existe en grandes cantidades pudiendo ser hallado en pozos petroleros o en depósitos de gas no relacionados con el crudo.
El gas húmedo, el cual procede de pozos petroleros contiene hidrocarburos gaseosos desde C1 hasta C4, junto con gasolina ligera y agua. El gas seco, que principalmente proviene de pozos secos está compuesto principalmente por metano y etano, así como pequeñas porciones de impurezas, tales como hidrógeno, nitrógeno y gases inertes.
Después de la remoción de los hidrocarburos C3 y C4, la composición de gas seco y húmedo queda como sigue:
- Metano--->68 a 69%
- Etano--->3 a 30%
- Poder calorífico--->8900 a 11600 kcal/m3
Gas de hulla.
Su obtención proviene de la carbonización de carbones bituminosos a temperaturas comprendidas entre 950 y 1350 °C. Este gas es habitualmente mezclado con otros gases, como el gas de agua carburado o gas de aceite, con el fin de aumentar su producción.
El gas de gasógeno se obtiene a partir de la combustión parcial del carbón al aire. Su composición contempla monóxido de carbono y nitrógeno, con pequeñas porciones de hidrógeno, metano y dióxido de carbono. El gas de gasógeno tiene la siguiente composición:
- CO2 = 5% H2 = 15%
- CO = 25% N2 = 53%
- CH4 = 2%
Gas de alto horno.
Se trata de un gas de gasógeno de baja calidad, obtenido por la combustión parcial del coque empleado en el horno y modificado por la reducción parcial del hierro. Este tipo de gas contiene una mayor cantidad de dióxido de carbono y una menor cantidad de hidrógeno, que el gas de gasógeno normal, obtenido a partir de coque y tiene un menor poder calorífico. La composición del gas de alto horno es:
- CO2 = 11% H2 = 2%
- CO = 27% N2 = 60%
Transformación de gases de petróleo en gas de ciudad.
El metano, etano, propano, butano y gases de refinería, pueden ser empleados individual o colectivamente, de forma limitada, para el enriquecimiento de gases de bajo poder calorífico con el fin de que sean adecuados para su empleo como gas de ciudad.
Gas LP.
Se trata de gases licuados a temperatura ambiente a presiones de 8.75 kg/cm2 para el propano y 2.1 kg/cm2 para el butano, los cuales son almacenados en recipientes en forma líquida. El propano se vende principalmente para uso industrial debido al mayor rango de presión que maneja, en tanto que el butano está destinado para uso doméstico.
Comentarios finales.
Hemos conocido de forma somera la naturaleza de los combustibles con los que estamos en contacto habitualmente, así como algunas características físicas y químicas de los mismos. No obstante, algo que debe destacar cuando se está en presencia de combustibles es la seguridad. Potencialmente estos son materiales peligrosos y si no son manipulados de forma correcta representan un alto riesgo de accidente, razón por la cual la atención que se tenga en un incidente que involucre combustibles debe ser controlada y supervisada estrictamente por personal calificado y en ningún caso personas ajenas deberán permanecer en las inmediaciones donde se localice el incidente.
Bibliografía.
*Wilfrid Francis, Julián Domínguez Sanz, Miguel Ángel Montemayor. Los Combustibles y su Tecnología. Ediciones Urmo, Bilbao España 1969.
*Manuel Márquez Martínez. Combustión y Quemadores. Editores Marcombo Boixareu, Barcelona España, 1989.
*Centro de Estudios de la Energía. Manuales Técnicos y de Instrucción para Conservación de Energía. Combustibles y su Combustión. Agustín de Fexá, Madrid España 1983.
*Bernard Lewis, Guenther von Elbe. Combustion, Flames and Explosion of Gases, second edition. Academic Press, 1961.