Combustión completa
Como se menciono anteriormente, en la combustión completase queman las sustancias combustibles del combustible hasta el máximo grado posible de oxidación. En este tipo de reacción no se encontraran sustancias combustibles en los humos o gases de combustión.
Las reacciones químicas que se utilizan en el estudio de las combustiones técnicas tanto si se emplea aire u oxigeno, son muy sencillas y las principales son:
C + O2 -----------------CO2
CO + ½ O2 ------------CO2
H2 + ½ O2 -------------H2O
S + O2 -----------------SO2
SH2 + 3/2 O2 ---------SO2 + H2O
Estas reacciones corresponden a reacciones completas de sustancias que pueden pertenecer a un combustible gaseoso, líquido o sólido y se expresan para 1 mol o 1 Kmol de sustancia combustible.
También es muy común realizar otros cálculos estequiométricos definiendo distintas relaciones a saber:
- Composición de humos secos
- Composición de humos húmedos
- Kg de aire / Kg de combustible
- Kmol de aire / Kmol de combustible
- Kg de humos secos / Kg de combustible
- Kg de humos húmedos / Kg de combustible
Todas estas relaciones se utilizan para efectuar un balance másico completo de una reacción de combustión.
Combustión incompleta
Este tipo de reacción se caracteriza por la presencia de sustancias combustibles o también llamados inquemados en los humos o gases de combustión. Estas sustancias generalmente son carbono como hollín, CO, H2 y también pueden aparecer pequeñas cantidades de los hidrocarburos que se utilizan como combustibles.
En el caso de la reacción de combustión en la que se produce únicamente CO en los gases de combustión, se conoce con el nombre de Combustión de Ostwald y la reacción que produce CO y H2 se conoce como Combustión de Kissel.
Estas denominaciones derivan del uso de los diagramas de estos autores utilizados para determinar las respectivas reacciones de combustión, siendo evidente que la reacción de Ostwald es un caso particular de la reacción de Kissel.
En la práctica se debe tener especial cuidado en los ambientes en que se puedan desarrollar este tipo de reacciones. Un caso práctico y muy conocido es la combustión incompleta de un motor de un automóvil, un brasero, un calefón o un calefactor domiciliario sin tiro balanceado. Dada la generación de CO o monóxido de carbono en este tipo de reacciones, que se presenta como un gas imperceptible al olfato, se debe tener especial cuidado en la ventilación de los ambientes donde ocurran, ya que el CO es un elemento nocivo para el cuerpo humano y puede producir la muerte, debido al bloqueo del transporte de oxígeno, generado por la molécula de hemoglobina, una proteína compleja presente en la sangre, donde el CO ejerce un efecto competitivo con el O2, produciendo la carboxihemoglobina e impidiendo la transferencia y el transporte de oxígeno en el cuerpo, produciéndose la muerte debido a una anoxia cerebral.
Ejemplo de reacciones de combustión
Como ejemplo podemos considerar dos tipos de reacciones, la reacción teórica y la reacción real que se produce en un reactor de combustión.
Reacción teórica
La reacción teórica para una combustión completa, convirtiéndose todo el C a CO2 y el H2 a H2O, utilizando aire como comburente es del tipo:
C8 H18 + aire ----------------- CO2 + H2O
C8 H18 + a (O2 + 3,76 N2) ---------------- b CO2 + c H2O + d N2
siendo la ecuación química estequiométrica balanceada
C 8 H 18 + 12,5 (O2 + 3,76 N2) --------------- 8 CO2 + 9 H2O + 47 N2
Reacción real genérica
a [ Cu Hv Ow Nx Sy ] + b [O2] + 3,76 b [N2] + c [humedad] + d [impurezas] →
e [CO2] + f [H2O] + g [O2] + h [H2] + i [CO] + j [SO2] + k [NO] + l [NO2] + m [cenizas] + a [PCI]
donde
[Cu Hv Ow Nx Sy ] es un mol de materia combustible (compuesto o mezcla) donde suele tomarse a=1 (por mol de combustible) o bien e + f + g + h + i + j + k + l = 1 (por mol de producto gaseoso)
Esta reacción representa una reacción real que se produce en un reactor de combustión teniendo en cuenta todas las variables que se presentaran inclusive la humedad, impurezas y cenizas.
Aplicaciones de las reacciones de combustión
Las reacciones de combustión son muy útiles para la industria de procesos ya que permiten disponer de energía para otros usos y generalmente se realizan en equipos de proceso como hornos, calderas y todo tipo de cámaras de combustión.
En estos equipos se utilizan distintas tecnologías y dispositivos para llevar a cabo las reacciones de combustión.
Un dispositivo muy común denominado quemador, produce una llama característica para cada combustible empleado. Este dispositivo debe mezclar el combustible y un agente oxidante (el comburente) en proporciones que se encuentren dentro de los límites de inflamabilidad para el encendido y así lograr una combustión constante. Además debe asegurar el funcionamiento continuo sin permitir una discontinuidad en el sistema de alimentación del combustible o el desplazamiento de la llama a una región de baja temperatura donde se apagaría.
Los quemadores pueden clasificarse en dos tipos, de mezcla previa o premezcla donde el combustible y el oxidante se mezclan antes del encendido y el quemador directo, donde el combustible y el oxidante se mezclan en el punto de ignición o encendido.
También debe tenerse en cuenta para su operación otros parámetros como estabilidad de la llama, retraso de ignición y velocidad de la llama, los cuales deben mantenerse dentro de los limites de operación prefijados.
Para el quemado de combustibles líquidos, en general estos atomizados o vaporizados en el aire de combustión. En los quemadores de vaporización, el calor de la llama convierte continuamente el combustible liquido en vapor en el aire de combustión y así se automantiene la llama.
Para el caso de combustibles gaseosos, se utilizan distintos diseños que pueden ser circulares o lineales con orificios, que permiten la salida del gas combustible y un orificio por donde ingresa el aire mediante tiro natural o forzado.
Es importante comprender que como resultado de una combustión, mediante la operación de estos dispositivos, se pueden producir sustancias nocivas y contaminantes, las cuales deberán ser perfectamente controladas, reduciéndolas a concentraciones permitidas o eliminadas, de acuerdo a la legislación vigente sobre el tema.