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Copy of COMBUSTIÓN CON AIRE ENRIQUECIDO

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Santiago Mejía R

on 15 October 2014

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COMBUSTIÓN CON AIRE ENRIQUECIDO
¿QUÉ ES?
Aplicaciones de la combustión con aire enriquecido
Conclusiones
Entre las alternativas disponibles para incrementar la eficiencia energética en procesos de combustión se encuentra la combustión con aire enriquecido con oxígeno, la cual consiste en aumentar la concentración de oxígeno en el aire atmosférico hasta llegar a niveles de hasta el 100%.

El aire enriquecido con oxígeno es una de las técnicas más prometedoras para incrementar la eficiencia de los procesos de combustión y de transferencia de calor.

Esta técnica es aplicable a escala industrial en un amplio rango de operaciones.

Características fenomenológicas
La combustión con aire enriquecido hace referencia al uso de concentraciones de oxígeno superiores al 21% en el oxidante de un proceso de combustión.

La elevada temperatura de llama que se genera en la combustión es una característica que se aprovecha en aplicaciones industriales de alta temperatura, como la fusión de materiales, y reacciones de descomposición térmica y sinterización, entre las que se destacan la fusión de vidrio y la producción de cemento, acero, metales ferrosos y aluminio, con aumentos de producción entre el 15 y 65%, y aumentos en eficiencia de combustión entre el 10 y 30%.

El incremento en la concentración de oxígeno ocasiona cambios termodinámicos en el proceso de combustión que pueden ser explicados por medio de la ecuación, la cual corresponde a la combustión con aire enriquecido con oxígeno de un hidrocarburo de composición general CxHy:

Este tipo de combustión contribuye al aumento de la eficiencia térmica y la disminución de emisiones contaminantes, dando origen a llamas con alta estabilidad, incrementando así el tiempo de residencia en las zonas de reacción y mejorando la reactividad de los combustibles gaseosos, líquidos y sólidos, que incluye biomasa residual de procesos agroindustriales.

Métodos de separación de aire
La tecnología de producción de oxígeno es un aspecto clave en la utilización de aire enriquecido en los procesos de combustión.

Las tecnologías actuales para separación de aire incluyen:

- la destilación criogénica

- la adsorción a temperatura ambiente

- la separación por membranas
La destilación criogénica

permite obtener purezas de oxígeno mayores al 99% O2 y es la tecnología utilizada a gran escala (100 ton/día), debido a que las otras tecnologías no son competitivas en estas magnitudes de producción de oxígeno.
La adsorción a temperatura ambiente

requiere adsorbentes naturales y sintéticos, entre los que se encuentran las zeolitas, que adsorben nitrógeno y dejan pasar el oxígeno, permitiendo obtener purezas de O2 hasta el 95%; es utilizada a mediana y gran escalas.
Ventajas
Se incrementa la eficiencia debido a la disminución de la perdida de calor en los humos, por la disminución de la masa de humos.
Se reducen las emisiones: CO, Nox y CxHy.
Se incrementa la estabilidad de la temperatura y de la transferencia de calor.
Se incrementa la productividad, porque el flux de calor a la carga es mayor para igual potencia, debido a la mayor T.
Ahorros de combustible de hasta el 15%.
Reducciones en las emisiones de CO2 de hasta el 25%.
Los incrementos en la eficiencia energética de hasta el 20%, como resultado de reducciones en la temperatura de ignición, aceleramiento de la combustión, incrementos en la temperatura de combustión, mejor transferencia de calor y menores pérdidas de energía en los gases de combustión.
Presenta ventajas ambientales significativas, por ejemplo la captura de dióxido de carbono.
La reducción de emisiones de NOx por debajo de los niveles de quemadores de bajo Nox.
La disminución en la formación de hollín.
Estos efectos se deben a que el incremento en la concentración de oxígeno en el aire de combustión afecta la cinética química, la termodinámica, la transferencia de calor, la tasa de calentamiento y la temperatura de llama.
Aplicaciones de la combustión con aire enriquecido
Los candidatos para la aplicación de la técnica de combustión con aire enriquecido
Procesos de alta temperatura (>1400 K)
Con bajas eficiencias térmicas

Altas emisiones contaminantes

Limitaciones en los gases de combustión
Aplicaciones de la combustión con aire enriquecido
Las aplicaciones se han ampliado a través de los años y abarcan aplicaciones tan diversas como

hornos
estufas
calderas
incineración de residuos


motores de combustión interna
combustión de biomasa
plantas de generación eléctrica
utilización de gases de bajo poder calorífico.
separacion por membranas
se tienen dos categorías:
las membranas poliméricas
las membranas de intercambio iónico.

En las membranas poliméricas
se hace pasar aire a través de una membrana permeable utilizando un diferencial de presión, donde el oxígeno es permeado a través de la membrana y el nitrógeno pasa a través de esta, teniendo al final del proceso dos corrientes, una rica en oxígeno y otra rica en nitrógeno; ello permite obtener concentraciones de hasta el 60% de oxígeno en el aire. Este tipo de membranas son competitivas en términos de costo y consumo energético frente a otras tecnologías.

Las membranas de intercambio iónico
son una tecnología relativamente nueva, que permite purezas de hasta el 100% de O2, debido a que poseen una selectividad teórica al oxígeno infinita y son utilizadas a gran escala a temperaturas entre 800 y 900 °C; sin embargo, aún siguen siendo objeto de estudio.
Casos de éxito
Existen experiencias en las que se han obtenido notables beneficios energéticos con la técnica de enriquecimiento de aire con oxígeno para procesos de combustión, por ejemplo:

Japón, donde se han alcanzado ahorros energéticos de hasta el 26,7% usando aire con el 23% de oxígeno en hornos de cúpula.

Estados Unidos, donde se ha utilizado el 23-24% de oxígeno en el aire para hornos de fundición, obteniendo ahorros de combustible de hasta el 26,7%.

En China, la planta de acero de Wuhan ha logrado ahorros de hasta 420.000 toneladas de carbón al año con esta técnica de combustión.
Combustión con aire enriquecido en Colombia
En Colombia es factible la inyección de oxígeno para los procesos de combustión con distintos niveles de enriquecimiento en industrias de alta temperatura, como el sector cemento, vidrio, cerámicos y plantas termoeléctricas. No obstante,
el país todavía no cuenta con una tecnología madura a escala industrial
para llevar a cabo la combustión con aire enriquecido.
Algunos
grupos de investigación del país
han adelantado proyectos relacionados con la combustión con aire enriquecido, Estas investigaciones
han mostrado que es posible utilizarlo
en motores duales diesel-biogás para mejorar su eficiencia térmica; además, se ha mostrado que mejora la eficiencia de operación en la combustión sin llama y en procesos de alta temperatura, como la fusión de metales no ferrosos
Combustion con aire enriquecido en Colombia
Conclusiones
La combustión con aire enriquecido ha demostrado ser una técnica eficiente de aprovechamiento de la energía de combustibles fósiles y alternativos de bajo poder calorífico.
Esta técnica genera cambios considerables en los fenómenos cinéticos y termodinámicos de la combustión, los cuales repercuten en la variación de los patrones de transferencia de calor y formación de especies químicas contaminantes.
Conclusiones
Actualmente
existen distintas tecnologías
para la producción del oxígeno que se emplea en la combustión con aire enriquecido, a partir de la separación de aire;
la destilación criogénica es la tecnología más madura.
Sin embargo,
las membranas poliméricas para separación de aire representan la mejor opción
para el enriquecimiento a bajas concentraciones de O2 a mediana y pequeña escalas, por lo que es conveniente avanzar en investigaciones de su desarrollo.
Conclusiones
La aplicación de la combustión con aire enriquecido se ha extendido principalmente a los
procesos industriales

de alta temperatura,
en los cuales se han alcanzado altos niveles de
eficiencia y aumento de la calidad en los productos.
A su vez, ha mostrado importantes mejoras en emisiones contaminantes y eficiencia térmica en los motores de combustión interna. También ha favorecido en los últimos años la reducción de costos en los procesos de captura y secuestro de CO2.
INTEGRANTES
Cesar Avendaño

Ferney Santiago Mejia

John Anderson Henao
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