microestructura de emulsiones agua en ......mezclador estático ..... 113 tabla a.3 flujo de calor...

INSTITUTO POLITECNICO NACIONALESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA

MECANICA Y ELECTRICASECCION DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACION

MICROESTRUCTURA DE EMULSIONES AGUA EN COMBUSTOLEO PESADO Y

SU EFECTO EN LA COMBUSTION

T E S I S

QUE PARA OBTENER EL GRADO DE MAESTRO EN CIENCIAS CON ESPECIALIDAD EN INGENIERIA MECANICA OPCION ENERGETICA

ING. ANGEL ALBERTO MENDEZ ARANDA

MEXICO, D.F. NOVIEMBRE 2000

P R E S E N T A

UNIDAD PROFESIONAL ADOLFO LOPEZ MATEOS

CONTENIDO

Lista de Figuras .............................................................................................................................. iv

Lista de Tablas .............................................................................................................................. v

Lista de Fotografías ...................................................................................................................... vi

Nomenclatura ................................................................................................................................ vii

Resumen ........................................................................................................................................ ix

Abstract .......................................................................................................................................... xi

Objetivo ......................................................................................................................................... xiii

Justificación ................................................................................................................................... xiv

Introducción ................................................................................................................................... xv

Capítulo 1. CARACTERISTICAS Y COMBUSTION DEL COMBUSTOLEO

1.1 Combustóleo .................................................................................................................... 11.1.1 Introducción .................................................................................................................... 11.1.2 Origen y constitución del combustóleo ........................................................................... 31.1.3 El combustóleo mexicano ............................................................................................... 51.1.4 Combustión del combustóleo .......................................................................................... 61.1.5 Emisión de partículas contaminantes en la combustión del combustóleo ...................... 8 1.2 Mecanismos y procesos para mejorar la combustión del combustóleo ........................... 101.2.1 Atomización .................................................................................................................... 101.2.1.1 Atomizadores de dos fluidos ........................................................................................... 111.2.1.2 Calidad de la atomización y diámetros representativos .................................................. 121.2.1.3 Efecto de la atomización en la emisión de partículas ...................................................... 131.2.2 Aerodinámica de la flama (mezcla aire – combustible) .................................................. 151.2.3 Emulsiones de agua en combustóleo ............................................................................... 20 Capítulo 2. ASPECTOS FUNDAMENTALES Y COMBUSTION DE EMULSIONES AGUA

EN COMBUSTOLEO 2.1 Aspectos fundamentales de emulsiones de aceite y agua ................................................ 212.1.1 Viscosidad de una emulsión ............................................................................................ 222.1.2 Estabilidad ....................................................................................................................... 242.1.3 Emulsiones agua en combustóleo.................................................................................... 25

i

2.2 Combustión de emulsiones agua en combustóleo ........................................................... 282.2.1 Estudios elementales en gotas individuales .................................................................... 282.2.2 Estudios a escala piloto e industrial ................................................................................ 31 Capítulo 3. DESARROLLO EXPERIMENTAL

3.1 Horno, equipos e instrumentos experimentales ............................................................... 363.1.1 Horno experimental de combustión ................................................................................ 363.1.1.1 Cámara de combustión y sistema de enfriamiento de gases ........................................... 373.1.1.2 Sistema de alimentación de combustible ........................................................................ 383.1.1.3 Sistema de alimentación de aire de combustión .............................................................. 383.1.1.4 Sistema de análisis de gases de combustión .................................................................... 383.1.2 Mezcladores estáticos ...................................................................................................... 413.1.3 Equipo para la medición de emisiones de PST en chimenea “Andersen Universal

Stack Sampler” ................................................................................................................ 423.1.4 Impactor de cascada ........................................................................................................ 45 3.2 Pruebas experimentales ................................................................................................... 473.2.1 Preparación de las emulsiones ......................................................................................... 473.2.2 Concentración de agua y control de la viscosidad de las emulsiones ............................. 483.2.3 Parámetros de operación en la combustión de las emulsiones ........................................ 483.2.4 Selección del lugar y puntos de muestreo de PST .......................................................... 50 3.3 Mediciones y análisis realizados en cada prueba experimental ...................................... 513.3.1 Determinación de la emisión de PST .............................................................................. 513.3.1.1 Preparación del tren de muestreo para colección de PST ............................................... 513.3.1.2 Desarrollo de la medición ............................................................................................... 523.3.1.3 Recuperación de las muestras ......................................................................................... 543.3.1.4 Manejo y procesamiento de datos ................................................................................... 553.3.2 Determinación de la Distribución de Tamaño de Partícula (DTP) ................................. 583.3.2.1 Preparación del tren de muestreo para determinar la DTP ............................................. 583.3.2.2 Colección de partículas con el impactor de cascada ....................................................... 593.3.2.3 Recuperación de las muestras ......................................................................................... 603.3.2.4 Manejo y procesamiento de datos ................................................................................... 603.3.3 Concentración de carbono, morfología y tamaño de las cenósferas ............................... 643.3.4 Distribución de gotas de agua de las emulsiones ............................................................ 653.3.4.1 Toma de muestras ............................................................................................................ 653.3.4.2 Análisis de las emulsiones ............................................................................................... 653.3.4.3 Medición de las gotas de agua de las emulsiones ........................................................... 663.3.4.4 Presentación de resultados .............................................................................................. 663.3.5 Flujo de calor incidente total ........................................................................................... 67 Capítulo 4. RESULTADOS EXPERIMENTALES

4.1 Análisis de combustóleo y agua ...................................................................................... 694.2 Condiciones de operación ............................................................................................... 69

ii

4.3 Emisión de Partículas Suspendidas Totales .................................................................... 704.4 Distribución de tamaño de partícula ................................................................................ 704.5 Distribución y tamaño de las gotas de agua (DTGA) de las emulsiones ........................ 704.6 Flujo de calor incidente total ........................................................................................... 704.7 Concentración de carbono, morfología y tamaño de las cenósferas ............................... 70 Capítulo 5. DISCUSION DE RESULTADOS

5.1 Análisis del combustóleo ................................................................................................ 915.2 Repetibilidad de las pruebas ............................................................................................ 925.3 Distribución y tamaño de las gotas de agua (DTGA) .................................................... 925.4 Emisión de PST ............................................................................................................... 945.5 Distribución de tamaño de las partículas ......................................................................... 975.6 Flujo de calor incidente total ........................................................................................... 99 Conclusiones ................................................................................................................................ 101Recomendaciones ........................................................................................................................ 103Referencias ................................................................................................................................... 104 Apéndice: DATOS EXPERIMENTALES DE LA DISTRIBUCIÓN DE TAMAÑO DE

PARTICULA, TEMPERATURA Y FLUJO DE CALOR A.1 Distribución de tamaño de partícula (DTP) .................................................................. 110A.2 Mediciones de Flujo de calor y Temperatura de pared de la cámara de combustión ... 110

iii

LISTA DE FIGURAS Figura 1.1 Esquema del atomizador tipo “Y” ............................................................................ 13Figura 1.2 Modelos ideales unidimensionales de flamas premezcladas.

a) Flama homogénea, b) Flama heterogénea ........................................................... 16Figura 1.3 Modelos ideales de flamas difusas. a) Combustión heterogénea

b) Combustión homogénea ....................................................................................... 17Figura 1.4 Perfiles de velocidad axial en una dispersión de gotas con

diferente número de swirl ......................................................................................... 19Figura 1.5 Flama estabilizada mediante la inducción de giro en el aire

de combustión .......................................................................................................... 20Figura 2.1 Diferentes tipos de emulsiones ................................................................................. 22Figura 2.2 Procesos de separación de fases en una emulsión .................................................... 25Figura 2.3 Atomización secundaria en una gota de emulsión agua en combustóleo ................ 26Figura 3.1 Horno experimental piloto del I.I.E. ........................................................................ 37Figura 3.2 Diagrama unifilar de los sistemas de alimentación de combustible,

aire de combustión y atomización del horno experimental del I.I.E. .............................................................................. 39

Figura 3.3 Mezcladores estáticos empleados en la elaboración de las emulsiones ................... 41Figura 3.4 Esquema del equipo para medición de emisiones

en chimenea “Andersen” .......................................................................................... 44Figura 3.5 Impactor de cascada empleado para determinar

la DTP en la emisión de PST ................................................................................... 45Figura 3.6 Ubicación de los puertos de muestreo ...................................................................... 50Figura 3.7 Localización de los puertos de muestreo .................................................................. 51Figura 3.8 Equipo “Andersen” instalado en chimenea .............................................................. 52Figura 3.9 Unidad de control del equipo “Andersen” ............................................................... 53Figura 3.10 Esquema del ensamble impactor de cascada – equipo “Andersen” ......................... 58Figura 3.11 Sonda de calor para medición del flujo de calor incidente total .............................. 67Figura 4.1 Distribución de tamaño de partícula en la combustión

de emulsiones preparadas por diferente mezclador estático y 6.8±0.5% de agua .................................................................................................. 79

Figura 4.2 Flujo de calor incidente total en la cámara de combustión con la emulsión preparada con el mezclador smx-1 ................................................ 80




Figura 4.6 Espectro de rayos “X” (25 kV, 616 cps), y composición elemental de PST de línea base ................................................................................................. 82

iv

LISTA DE TABLAS

Tabla 1.1 Características de petróleos mexicanos .................................................................... 22Tabla 1.2 Propiedades promedio de combustóleos mexicanos entre 1982 y 1984,

y entre 1996 y 1998 .................................................................................................. 66Tabla 3.1 Características de los mezcladores estáticos empleados .......................................... 42Tabla 3.2 Determinación de los puntos de muestreo ................................................................ 50Tabla 3.3 Parámetros de etapa del impactor de cascada .......................................................... 64Tabla 3.4 Valor de la constante K para cada etapa del impactor de cascada ........................... 64Tabla 4.1 Combustóleo utilizado en las emulsiones con diferentes

mezcladores estáticos ............................................................................................... 72Tabla 4.2 Análisis químico del agua usada para la preparación de las emulsiones ................. 73Tabla 4.3 Parámetros de operación del horno piloto durante el programa

de pruebas experimentales ....................................................................................... 74Tabla 4.4 Condiciones de operación del equipo “Andersen” durante

la medición de PST .................................................................................................. 75Tabla 4.5 Condiciones de operación del equipo “Andersen” durante la

determinación de la distribución de tamaño de partícula ......................................... 76Tabla 4.6 Emisión de Partículas Suspendidas Totales, línea base y emulsiones ..................... 76Tabla 4.7 Variables de cálculo de la distribución de tamaño de gota de

agua de las emulsiones preparadas por diferente mezclador estático ...................... 77Tabla 4.8 Distribución de tamaño de gota de agua por volumen, en las

emulsiones preparadas con 6.8±0.5% de agua y diferentes mezcladores estáticos ............................................................................................... 78

Tabla 4.9 Carbono en las partículas emitidas en la medición de PST durante las pruebas de línea base y emulsiones con 6.8±0.5% de agua ................... 78

Tabla 4.10 Carbono (análisis semicuantitativo puntual) de las partículas colectadas en el impactor de cascada durante las pruebas de línea base y emulsiones con 6.8±0.5% de agua ................................................... 78

Tabla A.1 Variables de cálculo de la Distribución de Tamaño de Partícula en las pruebas de línea base y emulsiones con 6.8±0.5% de agua ........................... 111

Tabla A.2 Distribución de Tamaño de Partícula del combustóleo y emulsiones preparadas con 6.8±0.5% de agua y diferente mezclador estático .................................................................................................... 113

Tabla A.3 Flujo de calor incidente total en la combustión de combustóleo y emulsiones preparadas con 6.8±0.5% de agua y diferente mezclador estático .................................................................................................... 114

Tabla A.4 Temperaturas interna y de pared de la cámara de combustión durante las pruebas de línea base y emulsiones preparadas con 6.8±0.5% de agua y diferente mezclador estático .................................................... 115

v

LISTA DE FOTOGRAFIAS

Fotografía 4.1 Emulsión formada por el mezclador estático smx-1 y 6.8±0.5% de agua ........... 83Fotografía 4.2 Emulsión formada por el mezclador estático smx-2 y 6.8±0.5% de agua ........... 83Fotografía 4.3 Emulsión formada por el mezclador estático smx-3 y 6.8±0.5% de agua ........... 84Fotografía 4.4 Emulsión formada por el mezclador estático smx-4 y 6.8±0.5% de agua ........... 84Fotografía 4.5 Cenósferas del combustóleo, PST (200X) ........................................................... 85Fotografía 4.6 Cenósferas de la emulsión con 6.8±0.5% de agua preparada

por el mezclador estático smx-1, PST (200X) ..................................................... 85Fotografía 4.7 Cenósferas de la emulsión con 6.8±0.5% de agua preparada

por el mezclador estático smx-2, PST (200X) ..................................................... 86Fotografía 4.8 Cenósferas de la emulsión con 6.8±0.5% de agua preparada

por el mezclador estático smx-4, PST (200X) ..................................................... 86Fotografía 4.9 Cenósferas del combustóleo colectadas en la segunda

etapa del Impactor de Cascada, DTP (200X) ...................................................... 87Fotografía 4.10 Cenósferas de la emulsión preparada por el mezclador

estático smx-1, colectadas en la segunda etapa del Impactor de Cascada PST (200X) ...................................................................................... 87

Fotografía 4.11 Cenósferas de la emulsión preparada por el mezclador estático smx-2, colectadas en la segunda etapa del Impactor de Cascada PST (200X) ...................................................................................... 88


Fotografía 4.13 Cenósferas de la emulsión preparada por el mezclador estático smx-1, colectadas en la cuarta etapa del Impactor de Cascada PST (200X) ...................................................................................... 89




vi

NOMENCLATURA

A Area total de valoración en el conteo de gotas de agua An Area de la sección transversal de la boquilla de succión Bv Concentración de gotas de agua por volumen b Relación de calores específicos del flujo de gases de combustión C Factor de corrección adimensional de Cunningham Cp Coeficiente del tubo pitot Cpst Concentración de partículas suspendidas totales Dr Diámetro medio de gota de agua di Diámetro inferior del intervalo de diámetro de gota analizado ds Diámetro superior del intervalo de diámetro de gota analizado H Contenido de humedad de los gases en la chimenea I Porcentaje de isocineticidad K Constante de conversión de unidades [0.003454 (mmHg-m3)/(ml-K)] Kp Constante de conversión de unidades [128.96 (m/s){(g/gmol)/K}1/2] Ke Constante de cada plato del impactor de cascada L Longitud total de ranura de cada plato del impactor de cascada Lm Trayectoria media libre del aire estándar en el rango de –10 a 410 °C Ma Peso molecular del agua Mg Peso molecular de los gases de combustión en base húmeda Ms Peso molecular de los gases de combustión en base seca m Número de gotas contadas en el intervalo mp Peso total de las partículas colectadas en los filtros principal y lavado P Presión absoluta local en cada plato del impactor de cascada Pe Presión estática local del flujo de gases en el impactor de cascada Pn Presión estática posterior a la fase “n” en el impactor de cascada Pn-1 Presión estática anterior a la fase “n” en el impactor de cascada Pbar Presión Barométrica Pstd Presión absoluta estándar Pd Presión absoluta de los gases en la chimenea Q Flujo local en cada etapa del impactor de cascada Qs Flujo de gases colectado a las condiciones de presión y temperatura de la chimenea R Constante universal de los gases ideales √St Raíz cuadrada del número de Stokes T Temperatura absoluta local en cada plato del impactor de cascada Tf Temperatura relativa local del flujo de gases en el impactor de cascada Tm Temperatura absoluta en el medidor de gases secos Ts Temperatura absoluta de los gases en la chimenea Tstd Temperatura absoluta estándar Tv Proporción de gotas de agua por volumen t Tiempo total de muestreo V Volumen de las gotas de agua Vg(std) Volumen colectado de gases secos corregido a condiciones estándar Vg Volumen colectado de gases secos

vii

Vv(std) Volumen del vapor de agua de los gases colectados, corregido a condiciones estándar vs Velocidad de los gases en la chimenea w Ancho de ranura de cada plato del impactor de cascada Letras Griegas φ Fracción volumétrica de la fase dispersa φ* Fracción volumétrica de la fase dispersa para que ηr=100 η Viscosidad de la emulsión ηa Viscosidad cinemática del aire ηc Viscosidad de la fase continua ηr Viscosidad relativa ρa Densidad del agua ρp Densidad de la partícula ∆P Presión dinámica de los gases en la chimenea ∆H Presión diferencial en la placa de orificio del equipo “Andersen” Σ Suma Abreviaturas API American Petroleum Institute (Instituto Americano del Petróleo, E. U. A.) ASTM American Society for Testing and Materials (Sociedad Americana para Pruebas y

Materiales, E.U.A.) Ced. Cédula CFE Comisión Federal de Electricidad c.p.s. Conteos por segundo DAE Diámetro Aerodinámico Equivalente DTGA Distribución de Tamaño de Gota de Agua DTP Distribución de Tamaño de Partícula EPA Environmental Protection Agency (Agencia de Protección del Ambiente de E.U.A.) I.I.E. Instituto de Investigaciones Eléctricas mbd Miles de barriles por día MMD Mass Mean Diameter (Diámetro medio de masa) No. Número PST Partículas Suspendidas Totales Pemex Petróleos Mexicanos SMD Sauter Mean Diameter (Diámetro medio Sauter)

viii

RESUMEN

En este trabajo se investigó el efecto de la distribución de tamaño de gota de agua (DTGA) de

emulsiones agua en combustóleo, en la reducción de la emisión y distribución de tamaño de

Partículas Suspendidas Totales (PST). Para ello se prepararon cuatro emulsiones en línea con

diferentes mezcladores estáticos (smx-1, 2, 3 y 4) y 6.8±0.5% de agua. Estas se quemaron en un

horno experimental con un flujo de combustóleo de 32 kg h-1 y un exceso de oxígeno en los gases de

combustión de 0.37%. La emisión de PST se midió siguiendo el Método 5 de la Agencia de

Protección del Ambiente de EUA (EPA por sus siglas en inglés), y la distribución de tamaño de

partícula (DTP) se estableció mediante un impactor de cascada adaptando el procedimiento

establecido en el Método 17 de la misma agencia. Las emulsiones se examinaron con un

microscopio óptico de luz transmitida y un sistema de análisis de imagen para determinar la DTGA

de acuerdo a la norma Británica BS-3604. El contenido de carbono no quemado de las partículas

se determinó con un analizador elemental LECO CHN-600 empleando el método ASTM-D

5373. El tamaño y la morfología de las cenósferas se analizaron con un microscopio electrónico de

barrido, y se midió el flujo de calor incidente total en la pared de la cámara de combustión con una

sonda de calor.

La emulsión del mezclador smx-1 presentó una proporción volumétrica de 64% en gotas de

agua de 2 a 5 µm, y redujo la emisión de PST en 43% con respecto a la del combustóleo sin

emulsionar. En las emulsiones de los mezcladores 2 y 3 esta proporción fue de 55% y 52%

respectivamente, y en cada caso disminuyó 34% la emisión de PST. En la emulsión del smx-4 la

proporción correspondiente fue de 28%, logrando una reducción de 25% en esta emisión. La DTP

mostró que las emulsiones produjeron cenósferas más pequeñas; la cantidad de partículas emitidas

con Diámetro aerodinámico equivalente menor a 1 µm fue de 26.7% en la prueba de línea base, de

43.0% con la emulsión del smx-1, de 40.0% con los mezcladores 2 y 3 y de 34.8% con el smx-4. La

DTP fue congruente con lo observado en el microscopio electrónico, donde las partículas de línea

base fueron las más grandes (tamaño aproximado de 60 µm) y presentaron el mayor contenido de

carbono (67.7% en peso); la emulsión del smx-1 produjo las cenósferas más pequeñas (10 µm) con

29.2% de carbono. El flujo de calor incidente total promedio en la pared de la cámara de

combustión fue de 406 kW m-2 en la prueba de línea base, aumentó 4% con la emulsión del smx-1,

ix

Resumen

5% con las emulsiones de los mezcladores smx-2 y 3, y 6% con la del smx-4. El incremento de la

temperatura de pared y del flujo de calor en la cámara de combustión, así como la disminución del

carbono en las cenósferas de emulsiones, se atribuyen al efecto físico del agua (atomización

secundaria) en el combustóleo.

Los resultados obtenidos en esta investigación mostraron que el beneficio más notable de la

distribución y tamaño de las gotas de agua, se obtuvo en el rango de tamaño de 2 a 5 µm. A mayor

volumen de agua contenida en gotas de este tamaño, menor la emisión de PST y menor el tamaño

de las mismas.

x

ABSTRACT

In this work, it was investigated the effect of water drop size distribution (WDSD) of emulsions

on the reduction of both the emission and size distribution of total suspended particles (TSP). Four

emulsions were prepared in line with different static mixers (smx-1, 2, 3 and 4) and 6.8±0.5% of

water. They were burned in an experimental furnace with a HFO mass flow rate of 32 kg h-1 and an

excess of oxygen in the flue gases of 0.37%. The TSP emission was measured according to the

United States Environmental Protection Agency Method 5 and particle size distribution (PSD) was

determined using a cascade impactor by adjusting the procedure dictated by the Method 17 of the

same agency. The emulsions were examined with an optical transmitted light microscope and an

image analysis system to determinate the WDSD according to the Britannic Standard BS-3604. The

unburned carbon of the particles was determined with a CHN-600 LECO elemental analyser using

the ASTM-D5373 Method. The size and morphology of the cenospheres were analysed with a

scanning electronic microscope and the total incident heat flux on the wall of combustion chamber

was measured by a flux probe.

The emulsion of the smx-1 mixer had a proportion in volume of 64% in water drops of 2 to 5

µm and reduced the TSP emission in 43% with respect to that of the HFO without water (baseline

test). In the emulsions from the mixers 2 and 3 this proportion was 55 and 52% respectively, and in

both the TSP emission decreased 34%. In the smx-4 emulsion the proportion was of 28% and de

TSP emission was reduced 25%. The PSD showed that the emulsions produced smaller

cenospheres; the amount of emitted particles with equivalent aerodynamic diameter less than 1 µm

was 26.7% in the base line test, 43.0% with the smx-1 emulsion, 40.0% with the

emulsions from mixers 2 and 3 and 34.8% with the smx-4 emulsion. The PSD was agree with the

images obtained with the electronic microscope, where the base line particles were the largest

(around 60 µm) and they had the major unburned carbon (67.7% by weight); the smx-1 emulsion

produced the smallest cenospheres with 29.2% of carbon. The total incident heat flux of the base

line test was 406 kW m-2, but it was increased 4% with the smx-1 emulsion, 5% with both smx-2

and 3 emulsions, and 6% with the smx-4 emulsion. The increase of both wall temperature and heat

flux in the combustion chamber and the decrease of the unburned carbon of emulsions cenospheres,

are believed to be due a physical effect (secondary atomisation) of water in the HFO.

xi

Abstract

The results in this research showed that the most notable benefits of the distribution and size of

water drops took place in the size range from 2 to 5 µm. As the volume of water distributed in drops

of this range was increased, both the PST emission level and its particle size were further reduced.

xii

OBJETIVO

Evaluar experimentalmente el efecto de la distribución de tamaño de gota de agua en la

combustión de emulsiones agua en combustóleo, específicamente en la reducción de la emisión y

distribución de tamaño de Partículas Suspendidas Totales.

JUSTIFICACION

Siguiendo una tendencia natural, los procesos de refinación de crudo son cada vez mejores y

más eficientes. El combustóleo es un producto residual de estos procesos, y en consecuencia, su

calidad disminuye continuamente, presentando una concentración mayor de asfaltenos, azufre,

vanadio, sodio y níquel, entre otros. Lo anterior, hace más difícil el control de los procesos de

combustión relacionados con la emisión de contaminantes, la formación de sedimentos y la

corrosión en partes metálicas de las calderas que lo queman.

El combustóleo es uno de los combustibles líquidos más económicos, por lo que más del 50%

de la energía eléctrica que se genera en México, proviene de centrales termoeléctricas que utilizan

este combustible para su funcionamiento. Aunado al deterioro de la calidad del combustóleo, la

Norma Ecológica Mexicana [NOM-085-ECOL-1994] ha establecido, a partir del 1 de enero de

1998, límites más estrictos para las emisiones contaminantes en fuentes fijas. Esto último, obliga a

encontrar una tecnología eficiente que mejore la combustión del combustóleo, y además, promueva

la explotación en el futuro, de la riqueza que guardan los 410 mbd de este combustible que se

producen actualmente en las refinerías nacionales.

xiii

Justificaciòn

Las emulsiones agua en combustóleo se proponen como una alternativa para contribuir a

resolver los problemas descritos, principalmente las emisiones de PST. Estas emulsiones consisten

de pequeñas gotas de agua (1 a 10 µm) dispersas en el combustóleo, las cuales, al tener una

temperatura de evaporación menor que el combustible, provocan una atomización secundaria

cuando éste se atomiza en un horno caliente. Algunos resultados han mostrado que a mayor

contenido de agua en las emulsiones, mayor es la reducción en la emisión de PST [Gómez (1999),

Ocampo (1998)]. Sin embargo, en los estudios realizados con estas emulsiones no se evaluó el

efecto de la distribución y el tamaño de las gotas de agua en las emisiones producto de la

combustión, por ello, se hace necesario una investigación al respecto, la cual es el tema de este

trabajo.

xiv

INTRODUCCION

Como resultado del agotamiento de las fuentes de crudo ligero, las refinerías en el plano

mundial se enfrentan a un deterioro lento y gradual de la calidad del crudo: disminución de grados

API y aumento en la concentración de azufre y metales. La utilización de crudos pesados reduce la

producción de gasolinas y en consecuencia, la cantidad de residuos aumenta. Por ello, es necesaria

la implantación de procesos de refinación más eficientes. La combinación de estos factores se

refleja en el detrimento continuo de la calidad del combustóleo.

Aún cuando el combustóleo producto de las refinerías nacionales se caracteriza por su alto

contenido de asfaltenos, azufre y vanadio, su importancia en el desarrollo del país es estratégica, ya

que actualmente más del 50% de la electricidad se genera en plantas termoeléctricas que utilizan

este combustible como energético primario. Sin embargo, estas plantas están usando un

combustóleo de menor calidad comparado con aquél para el cual fueron diseñadas, por lo que son

notables los problemas de indisponibilidad por corrosión en zonas de baja y alta temperatura de las

calderas, y por acumulación de depósitos inorgánicos en la superficie exterior de los bancos de

tubos. Adicionalmente se han originado problemas en la combustión que redundan en un

incremento de la emisión de contaminantes; como resultado, se dificulta el cumplimiento de los

requerimientos de la legislación ambiental.

Tomando en cuenta el costo del combustóleo, así como la abundancia del mismo en nuestro

país, es conveniente desarrollar tecnologías que optimicen su explotación y solucionen los

problemas planteados, evitando así la potencial importación de combustibles fósiles para la

generación de electricidad. Bajo este marco, las emulsiones agua en combustóleo se proponen como

una tecnología económica, eficiente y de aplicación sencilla para reducir la emisión de PST.

xv

Introducción

La demanda nacional de energía eléctrica rebasó el 7.8% en los primeros meses de este año, y

las necesidades de generación tan solo para los próximos siete años ascienden a 13 000 MW

adicionales [CFE (2000)]. La actual política de generación de electricidad está casi totalmente

enfocada hacia la utilización de gas natural mediante la implantación de centrales de ciclo

combinado. Pero a pesar de que esta tecnología tiene ventajas económicas y ambientales palpables,

no es conveniente basar toda la expansión del parque de generación únicamente en este tipo de

centrales por muy eficientes que sean, ya que la diversificación permite reducir riesgos de

disponibilidad y precio [Sheinbaum & Rodríguez (2000)]. Las emulsiones agua en combustóleo

podrían dar continuidad al uso de éste y por ende, coadyuvar a la diversificación que se trata.

A escala mundial, la generación de potencia mediante la combustión de combustibles fósiles es

predominante, y puede vislumbrarse que tal hegemonía prevalezca en los próximos años. Sin

embargo, la unión de factores energéticos, medioambientales, tecnológicos, económicos y sociales

en el ámbito internacional, motivan la utilización de los recursos naturales de manera más eficiente,

con el fin de aprovechar al máximo las ventajas que de ellos se obtienen y prolongar en lo posible el

abasto futuro. De tal suerte, que la optimización de la combustión del combustóleo no obedece

únicamente a una legislación ecológica y ambiental cada vez más estricta, sino también al

mejoramiento en la calidad de vida del hombre y al respeto por las generaciones venideras,

indicador de la madurez que como civilización se ha alcanzado.

En este trabajo, estructurado en cinco capítulos, se evalúa experimentalmente la combustión de

emulsiones agua en combustóleo con el fin de estudiar el efecto que la distribución y el tamaño de

las gotas de agua tienen en la emisión de PST y su tamaño. El primer capítulo, denominado

Características y combustión del combustóleo, refiere los aspectos generales del combustible, la

formación de partículas contaminantes derivadas de su combustión y algunos mecanismos usuales

para mejorar ésta. Incluye la propuesta de las emulsiones agua en combustóleo para reducir la

emisión de PST.

En el Capítulo 2 se exponen las características generales de las emulsiones de aceite y agua, y

se describen algunos estudios realizados previamente en otros países sobre esta tecnología y los

llevados a cabo en el país. En el Capítulo 3 se describen los equipos, métodos y procedimientos

empleados en el desarrollo experimental, así como el programa de pruebas, la ejecución de las

xvi

Introducción

mismas y el manejo de los datos obtenidos. En el Capítulo 4 se presenta la información obtenida de

cada medición y análisis realizados, y las características del combustible y el agua empleados en la

ejecución de las pruebas experimentales. Además, se indican las condiciones de operación del

horno experimental y del equipo de extracción isocinética de gases en chimenea durante cada

prueba. En el Capítulo 5 se presenta la interpretación de los resultados obtenidos y se discute el

efecto que la distribución de tamaño de las gotas de agua de las emulsiones, tuvo sobre la emisión de

PST y su distribución de tamaño. Finalmente, se exponen las conclusiones obtenidas y las

recomendaciones que se emiten para la realización de trabajos futuros que permitan la continuidad

del presente.

xvii

CAPITULO

1

CARACTERISTICAS Y

COMBUSTION DEL

COMBUSTOLEO 1.1 Combustóleo 1.1.1 Introducción

Un combustible es toda sustancia susceptible de quemarse. En la naturaleza se encuentran en

los tres estados de la materia, sólidos (la madera y el carbón mineral), líquidos (el petróleo) y

gaseosos (el gas natural). Los combustibles líquidos tienen su principal fuente en el petróleo, que es

un fluido compuesto fundamentalmente de hidrocarburos, generalmente más ligero que el agua y de

color café claro hasta negro, según sea el lugar de origen.

El petróleo crudo contiene un amplio rango de hidrocarburos. Su composición consiste

principalmente de parafinas, cicloparafinas y compuestos aromáticos en variadas proporciones, con

algunos compuestos orgánicos de azufre y pequeñas cantidades de nitrógeno y oxígeno. En forma

general los crudos se clasifican en ligeros y pesados. De los ligeros se obtiene más gasolina y nafta,

mientras que de los pesados más gasóleos y residuos [Medrano (1995)].

En México, las reservas de hidrocarburos probadas (incluyendo gas natural y condensados)

hasta el primer semestre de 1999, son de 58 683 millones de barriles, con una relación

Reservas/Producción de 38 años [Secretaria de Energía (2000)], y una producción nacional de crudo

actual que asciende a 2. 97 millones de barriles diarios [Pemex (2000)].

1

Características y combustión del combustóleo Capítulo 1

El crudo mexicano es de tres tipos: el Maya, es pesado y constituye más de la mitad del total de

la producción; del Istmo, es ligero y bajo en azufre, representa casi un tercio de la producción, y el

Olmeca (extraligero), ocupa aproximadamente la quinta parte de la producción total y está reservado

casi en tu totalidad para la exportación. La Tabla 1.1 muestra características de los petróleos

mexicanos.

Tabla 1.1 Características de petróleos mexicanos [Sandoval (1998)]

Propiedad / Constituyente Olmeca Istmo Maya

Peso específico a 20 / 4 °C 0.8261 0.8535 0.9199

Grado API 39.16 33.74 21.85

Viscosidad a 15.6 °C, cSt 9.0 14.0 465

Viscosidad a 21.1 °C, cSt 8.5 12.5 227

Viscosidad a 25 °C, cSt 8.0 11.5 150

Azufre (% en peso) 0.81 1.45 3.70

Carbón Ramsbottom (% en peso) 1.62 3.92 10.57

Ceniza (% en peso) 0.006 0.007 0.074

Insolubles en n-pentano (% en peso) 1.00 3.00 15.30

Insolubles en n-heptano (% en peso) 1.00 2.09 11.20

Aceites (% en peso) 89.2 89.2 72.0

Parafinas (% en peso) 13.4 8.1 3.6

Aceite desparafinado (% en peso) 75.8 81.1 68.4

Resinas (% en peso) 10.8 7.8 12.7

En la actualidad, los procesos de refinación en México tienen un rendimiento de

aproximadamente 89%, es decir, de cada barril de crudo que se refina permanece un 11% como

residuo. Estos productos residuales tienen una gran viscosidad (más de 1200 cSt a 50 ºC), densidad,

punto de ebullición y peso molecular [García (1997)]. Unido a esto, el 60% del petróleo que se

tiene en México es crudo pesado, lo que origina una producción importante de residuos. Debido a

las altas concentraciones de asfaltenos que contiene el crudo Maya, además de ceniza y residuos de

carbón, aproximadamente el 32% de sus remanentes no son útiles para fines de refinación y siempre

se les ha utilizado para la preparación de asfalto e impermeabilizantes para inmuebles, aunque existe

2


la posibilidad de hidrogenarlos para producir un mayor número de aplicaciones, solo que por el

momento este proceso no es económicamente rentable.

1.1.2 Origen y constitución del combustóleo

Los aceites combustibles que se obtienen del petróleo pueden dividirse en dos grupos generales:

los aceites combustibles destilados y los aceites combustibles residuales. Los primeros son el

resultado de los procesos de evaporación y condensación y consecuentemente no están formados por

constituyentes con temperatura de ebullición alta ni por compuestos asfálticos. Por el contrario, los

aceites combustibles residuales son una mezcla compleja de hidrocarburos, producto del

ablandamiento de un componente residual (residuos de la destilación del crudo o de los procesos de

craqueo térmico), con una variedad de productos destilados usados como diluentes para obtener una

viscosidad deseada en el producto final [Williams (1990)].

La norma D396-98, de la Sociedad Americana para Pruebas y Materiales (ASTM por sus siglas

en inglés) divide a los aceites combustibles en grados, basándose en los tipos de quemadores para

los que son adecuados. En esta especificación los aceites combustibles Grados 1 y 2 son aceites

combustibles destilados, y los Grados del 4 al 6 son aceites combustibles residuales o combustóleos.

El combustóleo Grado 6, conocido también como Búnker C, es un aceite de gran viscosidad

(superior a 800 cSt a 50 ºC) usado en su mayor parte en instalaciones industriales y comerciales;

requiere de precalentamiento en el tanque de almacenamiento para que pueda ser bombeado y

calentamiento adicional para su atomización. El equipo extra y el mantenimiento requerido para

manejar este combustible, así como los límites de emisiones establecidos en las normas, usualmente

lo excluyen de su uso en instalaciones pequeñas.

Dada su naturaleza, las propiedades del combustóleo, que es un aceite combustible residual,

dependen en gran medida de la fuente del crudo y de la composición de los diluentes con que está

formado. Desde el punto de vista químico, los combustóleos están compuestos por una variedad de

hidrocarburos, los más importantes por su contenido en volumen y por el orden de inestabilidad son

los siguientes: alcanos o parafinas (CnH2n+2), cicloalcanos o nafténicos (CnH2n), aromáticos (CnH2n-6)

y alquenos u olefínicos (CnH2n). Por tanto, si el crudo de origen es ligero el combustóleo puede

3


estar constituido en su mayor parte por hidrocarburos de cadena recta (alcanos) y concentraciones

bajas de compuestos cíclicos (cicloalcanos y aromáticos). Por el contrario, si el crudo de origen es

pesado, el combustible estará compuesto predominantemente por hidrocarburos poliaromáticos y

nafténicos, y algunas olefinas [Longoria (1996)].

Un factor importante en el estudio de los combustóleos es su estabilidad, referida como la

resistencia a la separación de sus componentes. La estabilidad de los hidrocarburos que componen

el combustóleo está gobernada por su resistencia a la oxidación, ya que cuando se oxidan se forma

un producto nuevo que puede ser insoluble y finalmente precipitarse formando sedimentos. El tipo

de diluente y su proporción, así como la cantidad de asfaltenos en el aceite residual, son los factores

determinantes en la formación de sedimentos. Además, el precipitado orgánico o sedimento está

formado por asfaltenos.

Los asfaltenos son las fracciones del petróleo de más alto punto de ebullición. Son núcleos

aromáticos condensados (con un número de anillos que varía de 6 a 20), que contienen sistemas

laterales con radicales alquilo o alicíclicos, y heteroelementos (N, O, S) integrados en su estructura.

No tienen una estructura molecular definida, son sólidos friables de color obscuro, insolubles en

solventes no polares de tensión superficial menor a 25 dinas/cm a 25 °C (propano y heptano

normales), y solubles en líquidos con tensiones superficiales mayores (benceno, tetracloruro de

carbono). Químicamente, los asfaltenos están constituidos por una mezcla precipitada de bitúmenes,

residuos de petróleo y carbón, con solventes hidrocarbonados no polares. Esta mezcla compleja

tiene compuestos de un amplio rango de pesos moleculares, polaridades y grupos funcionales

[Longoria (1996)].

Desde el punto de vista físico, se cree que los asfaltenos consisten de delgadas hojas cuyo

diámetro varía de 6 a 20 nm con un espesor promedio de 0.6 a 0.8 nm. Estas unidades básicas

pueden formar rápidamente agregados reversibles, de manera que el peso molecular aparente puede

variar bajo condiciones secas [Williams (1990)].

Las propiedades más importantes de los combustóleos desde el punto de vista de la combustión

son la viscosidad, la volatilidad, la tensión superficial, la densidad, el poder calorífico y los

4


contenidos de asfaltenos, ceniza, agua y azufre. Los compuestos inorgánicos (como los óxidos), la

acidez, la estabilidad a la formación de sedimentos y el punto de neblina, son características del

combustóleo relacionadas con el bloqueo de filtros de combustible, ensuciamiento de tubos en

calderas, erosión de atomizadores y bombas de combustible [Williams (1990)]. Los contenidos de

asfaltenos, azufre y metales, están relacionados con la promoción de fenómenos de corrosión en

zonas de alta y baja temperatura de las calderas y en la emisión de contaminantes durante la

combustión, de ahí la importancia de su control y monitoreo.

1.1.3 El combustóleo mexicano

El principal consumidor de combustóleo nacional es la Comisión Federal de Electricidad,

debido a que aproximadamente el 75% de la producción total de electricidad se realiza en centrales

termoeléctricas que queman hidrocarburos para su funcionamiento, y de éstas, las que utilizan

combustóleo (63%) aportan más del 50% de la generación total de energía eléctrica en el país. Al

respecto, PEMEX produce 410 mbd de combustóleo.

El combustóleo para su venta como producto final presenta cierta viscosidad (como resultado de

su ablandamiento con destilados medios), pero su composición varía debido al mejoramiento de las

técnicas de refinación, presentando cada vez mayor cantidad de compuestos de gran peso molecular

como los asfaltenos. Debido a lo anterior, es más difícil controlar los procesos de combustión en

cuanto a emisión de contaminantes, formación de sedimentos y corrosión.

Los asfaltenos son un constituyente importante de los combustóleos mexicanos. Suelen estar

presentes como soluciones coloidales que se mantienen estables mientras permanezcan en

concentraciones tan bajas que permitan su propia dilución. La Tabla 1.2, muestra análisis típicos

de combustóleos utilizados en calderas de la CFE. Se observa una tendencia de incremento del

contenido de insolubles en n-pentano (asfaltenos) y de la viscosidad. De acuerdo con estudios

desarrollados en el I.I.E., en 1979 el contenido de asfaltenos de los combustóleos mexicanos era del

orden de 5% [Ayala et al. (1985)]. Hacia 1984, los asfaltenos constituían el 13% en peso del total

del combustóleo, pero para 1998 alcanzan casi el 16%, reportándose picos de hasta 22% en peso

[Longoria (1996)].

5


Tabla 1.2 Propiedades promedio de combustóleos mexicanos entre 1982 y 1984 [Ruiz et al. (1983), Martínez et al. (1984)], y entre 1996 y 1998

Cantidad

Constituyente / Propiedad 1982 / 1984 1996 / 1998

Carbono (% en peso) 84.87 84.75

Hidrógeno (% en peso) 10.89 10.71

Nitrógeno (% en peso) 0.40 0.25

Azufre (% en peso) 3.41 3.67

Agua (% en peso) 0.62 0.25

Ceniza (% en peso) 0.052 0.072

Oxígeno (% en peso) --- 0.30

Asfaltenos en n-pentano (% en peso) 13.19 15.94

Carbón conradson (% en peso) 14.07 16.40

Viscosidad cinemática a 50 °C, cSt 1060 1136

Viscosidad cinemática a 82.2 °C, cSt 145 162

Poder calorífico, kJ kg-1 42404 41809

Temperatura de inflamación, °C 95 106

Densidad relativa, 15/15 °C 0.9980 0.9996

1.1.4 Combustión del combustóleo

La combustión es una reacción química de oxidación del combustible con el aire, oxígeno u

otros oxidantes con desprendimiento considerable de calor. Para diferenciar la combustión de otros

fenómenos de oxidación, se debe señalar que durante la combustión, la oxidación se realiza

extremadamente rápida y se caracteriza por el mecanismo de reacción en cadena. Los procesos de

combustión generalmente están acompañados de fenómenos luminosos llamados flama, la cual,

separa el espacio de las reacciones de combustión intensa de las capas de gas de los alrededores.

En la mayoría de los casos, el objetivo de la combustión es la obtención de energía calorífica

para su uso directo o indirecto en diferentes procesos, entre los que destaca la generación de

potencia eléctrica. En 1985, en los E.U.A. aproximadamente el 90% de la energía eléctrica se

generó con el concepto Térmico – Mecánico [Weisman & Eckart (1985)], i.e., la energía química

6


contenida en el combustible se transforma en energía térmica mediante la combustión; a su vez, ésta

se convierte en energía mecánica por la expansión de gases calientes o vapor de agua en una turbina,

y finalmente se obtiene energía eléctrica en un generador mediante la energía mecánica suministrada

al mismo.

Modelos desarrollados sobre la combustión de gotas de combustibles ligeros como la kerosina,

generalmente consideran una gota de combustible inmersa en una atmósfera oxidante (comúnmente

aire). Estos modelos suponen que la gota se evapora y actúa como una fuente de vapor de

combustible que se quema al combinarse con el oxidante que la rodea, generando una flama difusa

alrededor de la gota. Sin embargo, debido a la naturaleza de combustóleo (combustible

multicompuesto) estos modelos de combustión no aplican por completo.

Durante la combustión de gotas de combustóleo, la composición de la gota cambia debido a la

destilación fraccional que toma lugar en el proceso. A la fase inicial de evaporación de los

componentes ligeros, sigue el aumento de temperatura de los componentes de gran punto de

ebullición inicialmente presentes en el combustible, hasta alcanzar la descomposición térmica de

los hidrocarburos líquidos, lo que da lugar a la formación de residuos de coque que se queman por

una reacción de combustión esencialmente heterogénea.

Las siguientes, son las diversas fases que se observan durante la combustión de una gota de

combustóleo:

1. Calentamiento de la gota y evaporación de los componentes con bajo punto de ebullición;

2. Autoignición y combustión de los vapores, con una leve descomposición térmica. Continua la

evaporación de los componentes volátiles;

3. Ebullición intensa y aumento del volumen de la gota. Gran descomposición térmica con la

consecuente formación de compuestos alquitranados;

4. Combustión de los líquidos volátiles remanentes y de los gases provenientes de la

descomposición de los compuestos alquitranados, los cuales colapsan y forman un residuo

carbonoso de geometría esférica y estructura abierta (cenósfera);

5. Combustión heterogénea lenta del residuo carbonoso.

7


1.1.5 Emisión de partículas contaminantes en la combustión del combustóleo.

Al atomizar el combustible en una caldera, las gotas reciben calor por convección del aire

precalentado de combustión y de los productos de ésta, y absorben calor por radiación de las

paredes del hogar y de la flama. Esta adición de calor causa que las gotas se evaporen y desarrollen

procesos de polimerización y descomposición térmica.

Dado que la combustión de una dispersión de gotas de combustible involucra principalmente la

reacción de la fase de gas de los hidrocarburos con aire, los contaminantes típicos que predominan

en este sistema son: CO, NOX, SOX, hidrocarburos no quemados, hollín (producto de las reacciones

de la fase de gas), y cenósferas producto de la descomposición térmica de los hidrocarburos

remanentes en las gotas de líquido. Cualquier material inorgánico presente originalmente en el

combustible (ceniza) también se concentra en estos productos.

La materia particular producida por la combustión del combustóleo puede dividirse en dos

tipos, ceniza y material carbonoso. La ceniza, que de los dos tipos es la menos afectada por las

condiciones de combustión, es un constituyente original del combustóleo que consiste

principalmente de sulfatos no combustibles y óxidos formados de vanadio y, en menor medida, de

níquel y sodio. El contenido de ceniza define el nivel mínimo de emisión de toda la materia

particular que se produce en la combustión. El residuo de ceniza de una gota de combustible tiene

un diámetro que varía de 1 a 10 µm, sin embargo, algunos componentes de la ceniza,

particularmente el óxido de vanadio, son volátiles a la temperatura de combustión, se evaporan en

la zona de flama y se condensan a medida que el flujo de gases atraviesa partes frías de la caldera,

formando partículas con diámetros menores a 1 µm.

El material carbonoso incluye al hollín y a las cenósferas. El primero está compuesto

principalmente por partículas de carbono de diámetros menores a 1 µm, que se forman en la

combustión de la fase de gas de los hidrocarburos alrededor de la gota de combustible. El

mecanismo de formación del hollín, se basa en la descomposición térmica de los compuestos

parafínicos y aromáticos del combustible que se encuentran en zonas de la flama pobres en oxígeno.

Los primeros forman acetilenos, mientras que los segundos forman estructuras de anillos múltiples

(hidrocarburos poliaromáticos). Los acetilenos se polimerizan para formar polietilenos que, junto a

8


los anillos poliaromáticos, originan las partículas de hollín [Williams (1990)]. En regiones calientes

de la flama, estas pequeñas partículas se queman rápidamente, y por lo tanto, no son importantes en

la emisión de partículas al medio ambiente. Sin embargo, el hollín es determinante en la definición

de las distribuciones de transferencia de calor por radiación en las calderas [Dryer (1987)].

Las cenósferas, que representan la fuente más importante en la emisión de partículas, están

constituidas por carbono no quemado y ceniza. Son partículas huecas con cavidades esféricas y

orificios que pueden atravesar de un lado a otro. Tienen apariencia de esponja natural y geometría

casi esférica, con tamaños que varían de diez a algunas decenas de micrómetros de diámetro.

Estas partículas proceden de las reacciones de descomposición térmica de la fase líquida en una

gota de combustible. Durante el periodo previo a la ignición, los componentes ligeros de la gota se

evaporan en una destilación fraccionada. Una vez que la ignición de los vapores ocurre, la

temperatura en la parte central de la gota aumenta, se desarrollan procesos de pirólisis y

descomposición térmica del líquido remanente, que está formado por asfaltenos y compuestos de

gran peso molecular como los hidrocarburos poliaromáticos, dando lugar a la formación del residuo

carbonoso. El mecanismo de formación de las cenósferas está marcadamente controlado por la

velocidad a la cual el centro de la gota alcanza la temperatura suficiente para que la descomposición

térmica ocurra, y del tiempo que la gota permanece a esta temperatura [Williams (1976)].

La tendencia de un combustible a la producción de cenósferas, normalmente se estima en

pruebas donde se mide la producción de residuos carbonosos con bajas velocidades de

calentamiento (Carbón Conradson o Carbón Ramsbottom), o donde se determinan las fracciones

últimas del combustible mediante pruebas de solubilidad. A pesar de que las pruebas Conradson

reproducen en alguna medida los procesos reales que ocurren en la flama, se ha observado que no

son los mejores indicadores de la tendencia a la formación de cenósferas en calderas. Al respecto,

algunos investigadores han encontrado una mejor correlación de la emisión de partículas con el

contenido de insolubles en pentano (asfaltenos) [Walsh et al. (1987)].

9


1.2 Combustión de combustóleo En procesos teóricos de combustión se asume que los productos de la misma solo son bióxido

de carbono y vapor de agua, sin la presencia de materiales aún combustibles. Sin embargo, en

procesos reales los productos de combustión incluyen, entre otros, carbono (que es el principal

constituyente de las cenósferas) y en menor medida, monóxido de carbono. Algunos métodos de

optimización de la combustión del combustóleo se fundamentan, mediante diferentes mecanismos,

en la reducción del carbono no quemado de las partículas emitidas.

Las cenósferas se queman mediante un mecanismo que involucra la difusión del oxígeno hacia

su superficie, y la combustión heterogénea (sólido/gas) de la misma. Este, normalmente es un

proceso lento, ya que ocurre en la última zona de la flama donde la concentración de oxígeno ha

disminuido notablemente. En consecuencia, los factores que promocionan la combustión de las

cenósferas son, entre otros, un tiempo de residencia suficiente en la cámara de combustión a altas

temperaturas, una relación aire combustible elevada y una buena atomización.

1.2.1 Atomización del combustible

Para quemar un combustible líquido es necesario evaporarlo y mezclarlo con la cantidad

correcta de aire de combustión. Una de las formas más exitosas de lograr esto, y la única para

aceites combustibles residuales, es inyectar el combustible a la caldera mediante atomizadores. La

función principal de un atomizador es romper el combustible en una distribución de tamaño de gota

adecuado y distribuir las gotas espacialmente en la cámara de combustión para promover su

mezclado con el aire de combustión. El área superficial expuesta al aire es mucho más grande,

permitiendo que la evaporación se produzca rápidamente [Mullinger (1973)].

Para producir una dispersión de gotas de combustible, los atomizadores inyectan éste en la

cámara de combustión ya sea en forma de chorro o en forma de lámina. Los mecanismos

subsecuentes en la generación de las gotas dependen tanto de la forma particular del atomizador

considerado como de la naturaleza del líquido atomizado, pero los mecanismos básicos involucran

siempre la formación de columnas (o fibras) inestables de líquido que se rompen en gotas más

pequeñas [Williams (1990)].

10


En la práctica, el proceso de atomización puede lograrse de diferentes maneras. Atendiendo al

tipo de energía que se utiliza para atomizar el fluido, los atomizadores pueden agruparse en: a)

atomizadores de chorro a presión, llamados también atomizadores mecánicos, b) atomizadores

de 2 fluidos (neumáticos), c) atomizadores rotatorios y d) atomizadores ultrasónicos. De estos

atomizadores, el de dos fluidos ha tenido una amplia aplicación en procesos industriales y en plantas

de generación de electricidad.

1.2.1.1 Atomizadores de dos fluidos

En el interior de estos atomizadores, el combustible se mueve relativamente a velocidad baja y

se expone a una corriente de vapor o aire comprimido a velocidad alta, produciéndose a la salida del

atomizador una lámina de líquido que posteriormente se rompe dando lugar a la formación de las

gotas.

Puede considerarse que el proceso de atomización consiste de las siguientes etapas [Williams

(1990)]:

1) Formación de láminas delgadas de líquido a lo largo de las paredes interiores de un atomizador

de mezclado interno, o de láminas libres de líquido, o de chorros.

2) Desintegración de estas láminas o chorros por fuerzas aerodinámicas para formar ligamentos y/o

gotas.

3) Formación de una dispersión de gotas por rompimiento de los ligamentos y las gotas más

grandes.

Los atomizadores de dos fluidos comparados con los atomizadores mecánicos, producen gotas

más pequeñas como resultado de la inyección del fluido de atomización a alta presión y presentan

una mejor relación entre el máximo y el mínimo flujo de combustible (turn down ratio). Además,

el momentum cedido por el fluido de atomización promueve un mezclado rápido del combustible

con el aire. Para instalaciones que requieren una combustión muy intensa, la mayor parte del aire de

combustión puede suministrarse como fluido de atomización, ya sea como aire comprimido u

oxígeno [Mullinger (1973)].

11


Ejemplos típicos de estos atomizadores son los tipos “T” y “Y”. Estos últimos se utilizan en la

combustión de aceites combustibles residuales, y han probado mejorar la combustión y utilizar un

amplio rango de combustibles líquidos y fluidos de atomización. La Figura 1.1 muestra un esquema

del atomizador tipo “Y”.

Figura 1.1 Esquema del atomizador tipo “Y”

1.2.1.2 Calidad de la atomización y diámetros representativos

El sistema de gotas producido por la atomización de un combustible, constituye un ejemplo

típico de un sistema no uniforme (polidisperso), el cual, se caracteriza por una gran variedad de

gotas de diámetros diferentes. La calidad de la atomización es un término que en general involucra

dos conceptos: grado de atomización y uniformidad de atomización. El primero se refiere al

diámetro medio de gota, de manera que un alto grado de atomización denota un diámetro más

pequeño. El segundo describe la variedad de los diámetros de gota, por lo que una gran

12


uniformidad de atomización está relacionada con una variedad más reducida [Bayvel &

Orzechowski (1993)].

En muchos cálculos de transferencia de masa y evaporación en un sistema de gotas de

combustible se trabaja solo con diámetros promedio o medios en lugar de la distribución de tamaño

de todas las gotas. Un diámetro medio de gota es una cantidad convencional que caracteriza un

conjunto de gotas uniformes sustituidas por el conjunto real (espectro de tamaño de gota en una

dispersión). Dependiendo de la manera como se calcule, el diámetro medio de gota determina

características como el número, diámetro, superficie y volumen de las gotas. Aunque el diámetro

medio no aporta información acerca del conjunto de gotas en sí, es la cantidad que más información

proporciona en la evaluación de la calidad de la atomización. El diámetro medio de gota

comúnmente más usado es el diámetro medio sauter (SMD), que representa el diámetro de una gota

que tiene la misma relación volumen – área superficial que el spray completo [Lefevbre (1989),

Bayvel & Orzechowski (1993)].

1.2.1.3 Efecto de la atomización en la emisión de partículas

En los procesos de combustión el tamaño de gota juega un papel fundamental. Un conjunto de

gotas pequeñas (diámetro≤25µm) se evapora rápidamente creando una mezcla gaseosa que conduce

a una combustión de tipo homogénea (gas/gas). En cambio, un conjunto de gotas más grandes

(diámetro de 25 a 250 µm o mayor) cae en procesos complejos al desarrollar la mezcla combustible

y por tanto en una combustión más lenta de tipo heterogénea (sólido/gas), provocando los procesos

de pirólisis y descomposición térmica que originan la formación del residuo carbonoso.

La diversificación del diámetro de gota tiene una influencia versátil en los procesos de

combustión, ya que una gran variedad de las gotas conduce a una combustión incompleta de las

gotas más grandes, pero en instalaciones que operan bajo grandes cambios de carga, como en las

cámaras de combustión de las turbinas de gas, una gran diversificación en los diámetros de gota

asegura una buena estabilidad de la combustión [Bayvel & Orzechowski (1993)].

13


Estudios fundamentales recientes, sugieren que el proceso de formación de cenósferas está

únicamente relacionado con las propiedades del combustible, mientras que su proceso de

combustión, y por ende el tamaño de las mismas, está afectado tanto por las propiedades del

combustóleo, como por los parámetros del sistema de combustión [Dryer (1987), Marrone et al.

(1984)].

Investigaciones teóricas han concluido que una reducción del 10% en el diámetro de la gota,

disminuye el carbono no quemado de las partículas al menos en 25% [Lawn et al. (1987)]. Si el

tamaño de las cenósferas está en función del tamaño inicial de la gota de combustible, su dimensión

se reduce en gran medida mediante una atomización más fina. Esto se puede lograr, entre otras

alternativas, disminuyendo la viscosidad del combustible (incrementando su temperatura), elevando

la presión del mismo, o aumentando el flujo del fluido auxiliar de atomización. Mejorando la

calidad de la atomización, la relación superficie / volumen de las gotas es más grande y provoca una

condición más favorable para la difusión del oxígeno hacia la superficie de éstas.

La viscosidad influye de manera directa en el proceso de atomización, como lo muestran

algunas correlaciones empíricas para pequeños atomizadores mecánicos. De acuerdo con estos

estudios, se establece una relación dependiente entre el tamaño de gota y la viscosidad del tipo

MMD ∝ µln, donde MMD es el diámetro medio de masa (diámetro de gota tal que el 50% del total

del volumen de líquido está en gotas de diámetro menor), µl es la viscosidad del combustible, y n

tiene un valor aproximado de 0.2. [Lawn et al. (1987)]. Al respecto, algunas investigaciones

mostraron que incrementando la temperatura del combustóleo de 117 °C a 133 °C (lo que provocó

una disminución de la viscosidad de 15 a 10 cSt y por lo tanto, según la correlación empírica

expuesta, una reducción en el MMD de 10%), la emisión de carbono no quemado se redujo entre 20

y 45% [Cunningham & Jackson (1978)].

Con respecto a lograr una atomización más fina incrementando la presión del combustible,

correlaciones obtenidas de atomizadores mecánicos en calderas de 500 MW, sugieren una relación

del tipo MMD ∝ P-.032 µl0.18, donde P es la presión del combustible. En esta expresión, para lograr

disminuir en 10% el MMD, es necesario elevar la presión del combustible de 40 a 54 bar o reducir

la viscosidad en 40% (por ejemplo, de 24 a 15 cSt) [Lawn et al. (1987)].

14


En el caso de atomizadores de dos fluidos, no hay evidencia contundente acerca del efecto que

la calidad del vapor tiene sobre la calidad de la atomización, por lo tanto la relación entre el tamaño

de gota y los parámetros de operación es más compleja. Sin embargo, como evidencia del beneficio

que tiene sobre la calidad de atomización el aumento del flujo de atomización, se comprobó que un

incremento en éste de 2% a 3.5% provocó una reducción del 23% en el MMD del sistema de gotas,

lo que condujo a una reducción del 35% en la emisión de partículas sólidas [Lawn et al. (1987)]. 1.2.2 Aerodinámica de la flama (mezcla aire – combustible)

La forma en cómo se mezclan el combustible atomizado y el aire determina en forma crucial el

desarrollo de la combustión. En sistemas donde las gotas de combustible se mezclan previamente

con el aire de combustión (flamas premezcladas), o en aquellos donde inicialmente se tiene una

buena mezcla aire – combustible, pueden identificarse dos casos de combustión: combustión

homogénea y combustión heterogénea. La Figura 1.2 (a) muestra el primer caso, en el cual, las

gotas de combustible se evaporan antes de alcanzar la zona de flama, de manera que el frente de

flama está soportado esencialmente por el vapor de combustible y el aire de combustión. En la

Figura 1.2 (b) se muestra el caso de la combustión heterogénea, donde las gotas se queman

individualmente generando una flama en su derredor. Estos sistemas son esencialmente

heterogéneos debido a la presencia constante de dos fases.

En sistemas donde el aire de combustión y el combustible atomizado se encuentran separados

inicialmente (flamas difusas), pueden reconocerse dos tipos de flamas: las flamas heterogéneas y las

flamas homogéneas. Las últimas son similares a las flamas de combustibles gaseosos, y se

caracterizan porque las gotas se evaporan antes de llegar a la zona de flama. En cambio, las flamas

heterogéneas están soportadas por la combustión de gotas discretas de combustible en esta zona. La

Figura 1.3 muestra estos modelos de flama.

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Figura 1.2 Modelos ideales unidimensionales de flamas premezcladas. a) Flama homogénea,

b)Flama heterogénea.

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Figura 1.3 Modelos ideales de flamas difusas. a) Combustión heterogénea, b) Combustión homogénea.

Una buena mezcla aire – combustible da como resultado una flama estable. Esto significa que

una vez que la mezcla logra la ignición, el punto donde comienza la flama se ubica en una posición

constante con respecto al quemador. Para que esta condición se alcance en flamas premezcladas, la

flama debe viajar a través del flujo hacia el quemador a una velocidad igual a la que el combustible

y el aire se mezclan. Si la velocidad de propagación de la flama es más baja que la velocidad del

flujo, la flama es arrastrada corriente abajo del quemador hasta que alcanza un punto donde las

velocidades son iguales, o hasta que se extingue.

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Al igual que las flamas premezcladas, la estabilización en flamas difusas también requiere del

equilibrio entre la velocidad del flujo y la de propagación de la flama. Sin embargo, debido a la

gran diferencia que existe entre las velocidades de flama de combustibles comunes y la velocidad de

la mezcla aire – combustible, la estabilización debe suceder en la capa límite del flujo. En ésta la

velocidad baja a cero y el gas se mezcla con el aire, luego, existe una mezcla que está dentro de los

límites de ignición, la cual, dota a la flama de una fuente permanente de encendido.

Uno de los recursos más utilizados para estabilizar las flamas difusas, es distorsionar el campo

de flujo a la salida del quemador con el objeto de generar una zona de baja presión, que provea una

región de recirculación en el inicio de la flama. Esta distorsión puede lograrse, entre otros

mecanismos (como el diseño del quarl o garganta del quemador y la introducción de obstáculos

físicos en el campo de flujo), mediante la inducción de un giro en el aire secundario de combustión,

que incorpora una componente tangencial en el campo de flujo.

El flujo con giro, es un flujo de aire rotativo alrededor del eje central del quemador, se

introduce de manera tangencial y se orienta mediante álabes que se ajustan hasta lograr la zona de

recirculación. El flujo de aire de combustión con giro, tiende a dispersar la flama y a recortar su

longitud. Además, favorece el mezclado del combustible con el aire, ya que en zonas cercanas al

quemador el flujo másico de combustible es mayor en comparación con el que habría sin giro,

debido a la contribución del momento tangencial de éste sobre la aspiración de las gotas.

La intensidad del giro que se provoca en el aire de combustión, se determina mediante el

número de swirl, el cual, se define como la relación entre el flujo de momento angular y el producto

del flujo de momento axial y el radio de salida del quemador.

La Figura 1.4 muestra esquemáticamente algunos los perfiles de la velocidad axial en diferentes

cortes, a diferentes números de swirl. El caso (a) muestra un sistema de gotas libre (swirl=0), tiene

un ángulo aproximado de 19° y los perfiles son de tipo Gaussiano. Para el caso (b) se tiene un swirl

aproximado de 0.1, lo cual provoca una aumento del ángulo. En el caso (c) el máximo de la

velocidad axial cerca de la salida del quemador existe fuera del eje axial, aunque más lejos del

quemador el conjunto de gotas forma nuevamente un perfil Gaussiano. Para el caso (d) el número

de swirl se aumenta a 0.6, la zona de circulación cerca de la salida del quemador ya se ha formado,

es decir, existen velocidades axiales negativas. Finalmente, en el caso (e) el número de swirl es

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más grande, aproximadamente 2, y el tamaño de la zona de circulación aumenta, además el ángulo

de la dispersión es mayor [Lenz & Wittmer (1981)].

Figura 1.4 Perfiles de velocidad axial en una dispersión de gotas con diferente número de swirl

La zona de recirculación generada, atrae los productos calientes de la combustión a la zona

inicial de la flama, los cuales, precalientan el combustible y/o el aire que está entrando, y provocan

la evaporación del primero. La Figura 1.5 muestra la estabilización de una flama con swirl. El

combustible atomizado tiene la forma de un cono abierto que cruza la zona de recirculación. En su

camino a través de esta zona, la mayoría de las gotas se evaporan. Una parte del vapor de

combustible se mezcla con el aire por el lado exterior de la zona de recirculación y luego se quema.

Otra parte del vapor entra en la zona de recirculación, donde la baja concentración de oxígeno puede

conducir a la formación de hollín si la porción del combustible en esta zona es demasiado grande.

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Por lo tanto, la coordinación entre la extensión de la zona de recirculación, el ángulo del cono y la

posición de la tobera, es un factor muy importante para obtener una buena combustión.

Figura 1.5 Flama estabilizada mediante la inducción de giro en el aire de combustión

1.2.3 Emulsiones de agua en combustóleo

La combustión del combustóleo se puede optimizar mediante los procesos de atomización y

aerodinámica descritos, reduciendo la emisión de PST. Sin embargo, la mejora de la mezcla aire

combustible mediante una atomización más fina y una aerodinámica adecuada, incrementa la

intensidad de combustión y por ende, la temperatura en la flama. En consecuencia, se puede

originar un aumento en la emisión de óxidos de nitrógeno.

Como una alternativa para reducir a la vez las emisiones de PST y de óxidos de nitrógeno, se

puede considerar el uso de emulsiones agua en combustóleo. Las gotitas de agua dispersas en el

combustible, contribuyen a la desintegración de las gotas de combustóleo en la cámara de

combustión, logrando con ello reducir la emisión de PST; pero además, la evaporación del agua

disminuye la temperatura en la flama, abatiendo así la emisión de óxidos de nitrógeno. En el

siguiente capítulo se describen con más detalle las emulsiones agua en combustóleo y los beneficios

que esta tecnología produce.

20

CAPITULO

2

ASPECTOS FUNDAMENTALES Y

COMBUSTION DE EMULSIONES

AGUA EN COMBUSTOLEO

2.1 Aspectos fundamentales de emulsiones de aceite y agua Una emulsión es un sistema que contiene dos fases líquidas no miscibles entre sí, una de las

cuales está dispersa en la otra en forma de pequeñas gotas. Al describir las emulsiones se debe

distinguir claramente cada una de las dos fases presentes. La fase que se encuentra en forma de

gotas se conoce como fase dispersa o interna, aunque puede ser referida también como fase

discontinua. La fase que forma la matriz en que las gotas están suspendidas se llama fase continua o

externa.

La importancia de la terminología radica en identificar plenamente cuál es la fase continua y

cuál la dispersa. Tomando el ejemplo clásico de una emulsión de aceite y agua, tal como se

muestra en la Figura 2.1, la emulsión puede ser aceite en agua (donde la fase continua es el agua) o

agua en aceite (donde el aceite es la fase continua). Estas emulsiones se abrevian respectivamente

o/w y w/o, por sus siglas en inglés. Pueden existir casos más complejos, por ejemplo, si las gotas de

aceite de una emulsión o/w contienen en su interior gotas de agua, se dice que se tiene una emulsión

múltiple de tipo w/o/w.

21

Aspectos fundamentales y combustión de emulsiones agua en combustóleo Capítulo 2

Los productos químicos que se añaden a una emulsión para aumentar su estabilidad por acción

interfacial, se conocen como agentes emulsivos. Los emulsificadores son los dispositivos

(generalmente mecánicos) con los que se genera una emulsión.

Figura 2.1 Diferentes tipos de emulsión

2.1.1 Viscosidad de una emulsión.

El comportamiento reológico de una emulsión puede ser Newtoniano o no Newtoniano,

dependiendo de su composición. Para valores bajos o moderados de la concentración de la fase

dispersa, la emulsión generalmente exhibe comportamiento Newtoniano. Concentraciones altas de

la fase dispersa provocan un comportamiento de tipo dilatante.

La viscosidad definida como la relación entre el esfuerzo cortante y la velocidad de corte,

depende de múltiples factores [Pal, Yan & Masliyah (1992)], entre los cuales se encuentran los

siguientes:

1. La viscosidad de la fase continua,

2. La concentración volumétrica de la fase dispersa,

3. La viscosidad de la fase dispersa,

4. El tamaño promedio de gota de la fase dispersa y su distribución,

5. La relación de corte,

6. La naturaleza y concentración del agente emulsivo,

7. La temperatura.

La viscosidad de una emulsión es directamente proporcional a la viscosidad de la fase continua

(ηc), y por lo tanto todas las ecuaciones de viscosidad propuestas en la literatura están escritas en

términos de la viscosidad relativa (ηr):

cr η

ηη = (2.2)

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donde η es la viscosidad de la emulsión. Esta relación de proporcionalidad es obvia para bajas

concentraciones de la fase dispersa, cuando la presencia de las gotas produce sólo una interacción

adicional. Sin embargo, a alto contenido de fase dispersa (fracción volumétrica > 70%) es probable

que esta relación ya no sea válida por dos razones. Por un lado, la estructura de la fase continua es

extremadamente fraccionada y no puede responder a los esfuerzos de manera normal; y por otro, el

sistema es altamente no newtoniano y se mide por tanto, solo una viscosidad aparente promedio que

varia con la relación de corte [Salager (1993)].

La concentración volumétrica de la fase dispersa es el factor más importante en cuanto a la

viscosidad de la emulsión se refiere. Cuando las gotas de agua caen un en campo de flujo dado, este

campo se distorsiona y consecuentemente la velocidad de disipación de energía aumenta,

conduciendo a un incremento en la viscosidad del sistema. Albert Einstein demostró que el

incremento en la viscosidad de un sistema debido a la adición de partículas es una función de la

fracción volumétrica de las partículas dispersas [Pal et al. (1992)]:

φηηη 5.21+==

cr (2.2)

donde φ es la concentración volumétrica de las partículas dispersas.

De la ecuación anterior se observa que en tanto se incremente la fracción de las partículas o

gotas, la viscosidad del sistema aumenta. Las principales suposiciones hechas en el desarrollo de

esta ecuación fueron, la inexistencia de interacción entre las partículas (glóbulos esféricos no

deformables) y la condición de no deslizamiento entre las partículas y la fase continua. Por tanto

esta expresión es una ley límite de poco interés en los problemas prácticos, ya que solo es válida

para φ


donde φ* es la concentración de la fase dispersa a la cual la viscosidad relativa llega a un valor de

100. Tanto emulsiones newtonianas como no newtonianas han sido relacionadas mediante esta

expresión, que ha descrito los datos experimentales con bastante precisión [Pal et al. (1992)].

La influencia que ejerce la viscosidad de la fase dispersa sobre la viscosidad de la emulsión,

solo es importante cuando ocurre cierta circulación interna en las gotas dispersas. La presencia de la

circulación i

microestructura de emulsiones agua en ......mezclador estático ..... 113 tabla a.3 flujo de calor...

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