ThermoCombustion: Optimización de procesos de combustión industrial

En la industria, la eficiencia energética es clave para reducir costos y minimizar el impacto ambiental. Uno de los procesos más relevantes en este sentido es la combustión, fundamental en motores, calderas, hornos y turbinas. Sin embargo, es sabido que la combustión no es 100% eficiente, lo que significa que gran parte de la energía se desperdicia. Aquí es donde entra ThermoCombustion-HF (versión para hidrocarburos, eliminamos HF en adelante por simplicidad), una herramienta avanzada diseñada para analizar y optimizar los procesos de combustión, con el fin de mejorar el rendimiento energético. Este software forma parte de un conjunto de programas desarrollados por el autor con el fin de dar solución a diseños y análisis prácticos dentro del campo de la ingeniería térmica y la energía (https://thermosuite.com/). Señalar que existe otra versión ThermoCombustion-BB, indicada para combustibles sólidos en general (incluyendo biomasas y carbones), y para combustibles líquidos (incluyendo biodiesel).

Figura 2. Cálculos en relación con el combustible y a la relación aire/combustible.

En el caso específico del análisis de la combustión con aire enriquecido en oxígeno (25 % en el caso analizado), ThermoCombustion permite calcular y prever cómo la incorporación de oxígeno adicional influye en la eficiencia del proceso de combustión. Esto es clave porque el oxígeno adicional mejora la calidad de la combustión, reduciendo el exceso de combustible sin sacrificar el rendimiento térmico del sistema. La inyección de oxígeno adicional en los procesos de combustión tiene varios beneficios. En primer lugar, permite un mejor aprovechamiento del combustible, lo que se traduce en una mayor eficiencia energética y menores emisiones contaminantes. Al aumentar la concentración de oxígeno en la mezcla, se consigue una combustión más completa, lo que optimiza el rendimiento de los motores, calderas, hornos y turbinas.

El empleo de aire enriquecido con oxígeno genera menor cantidad de nitrógeno en los productos de combustión. Además, al optimizar la combustión, se reduce la formación de compuestos contaminantes como el monóxido de carbono (CO) y los óxidos de nitrógeno (NOx), mejorando la calidad del aire y cumpliendo con las normativas medioambientales más exigentes.

ThermoCombustion no solo permite simular el proceso de combustión con aire enriquecido, sino que también proporciona un análisis detallado de las posibles mejoras. Utilizando el software, los ingenieros pueden ajustar parámetros clave como la cantidad de aire añadido, la temperatura de entrada y las características del combustible, temperatura adiabática de la llama, emisiones contaminantes, eficiencia de la combustión, eficiencia del sistema térmico, propiedades de la mezcla (combustible), poderes caloríficos, inflamabilidad, intercambiabilidad entre combustibles, análisis energético y exergético, análisis de sensibilidad, etc. La figura 3 muestra los sistemas energéticos que pueden analizarse de manera completa y exhaustiva estas instalaciones.

Figura 3. Sistemas disponibles.

Al contar con simulaciones precisas, ThermoCombustion ayuda a los ingenieros a tomar decisiones informadas para reducir el consumo de energía y mejorar la eficiencia de los equipos de combustión. Además, el software es capaz de integrarse con otros sistemas de gestión de energía, lo que permite una visión global del rendimiento energético de la planta.

Entre los beneficios de utilizar ThermoCombustion encontramos:

• Mejor rendimiento energético: Optimización del uso de los recursos energéticos y reducción de las pérdidas por calor.
• Reducción de emisiones contaminantes: Disminución de los compuestos dañinos generados durante la combustión, lo que contribuye al cumplimiento de normativas medioambientales.
• Mayor durabilidad de los equipos: Al reducir las fluctuaciones térmicas y mejorar la eficiencia, se incrementa la vida útil de los equipos de combustión.
• Decisiones basadas en datos: Análisis detallados que permiten a los ingenieros tomar decisiones basadas en datos, mejorando la operatividad y reduciendo riesgos.

La combustión es un proceso fundamental en muchas industrias, pero también es uno de los que más energía desperdicia si no se gestiona correctamente. Con ThermoCombustion-HF, los ingenieros tienen la capacidad de analizar y optimizar estos procesos de manera precisa, reduciendo el desperdicio de energía y mejorando el rendimiento de los sistemas térmicos. La combinación de simulaciones detalladas, junto con el análisis en tiempo real permite a las empresas no solo ahorrar en costes operativos, sino también contribuir a un futuro más sostenible y eficiente.

Figura 4. (a) Análisis energético y (b) análisis exergético del horno industrial.

Los análisis de energía y exergía se muestran en la figura 4. La comparación entre ambos valores de eficiencia muestra que la eficiencia exergética de 7.97 % es mucho menor que la eficiencia energética de 79.25%. El balance energético muestra que solo el 20.75 % de la energía del gas natural se pierde con los gases de combustión. Por otro lado, el balance exergético indica que se pierde el 92.03 % de la exergía del gas natural, que se puede dividir en una pérdida externa por chimenea de tan solo el 11.69 % asociada a la exergía de los gases de combustión y una pérdida interna (irreversibilidad en combustión) del 82.10 %, que constituye la principal pérdida exergética.

Esta última irreversibilidad puede ser dividida en dos:

i) Irreversibilidad debido al proceso intrínseco de la combustión, 36.80 %.

ii) Irreversibilidad por la transferencia de calor que sucede en la cámara de combustión, en relación a la temperatura adiabática de la llama de 1650 °C (obtenida por el software), 45.30 %.

Se puede concluir que el sistema equipado con un horno de gas natural representa una forma ineficiente de utilizar el combustible. Esto se debe a las siguientes razones: en primer lugar, la energía química del gas natural se convierte mediante la combustión en energía térmica, que es una forma de energía de menor calidad; y en segundo lugar, la combustión del gas natural tiene una temperatura adiabática de llama muy superior a la temperatura de consumo.

El software posee la posibilidad de emplear diferentes gráficos de la combustión, diagramas de Ostwald (ver figura 5), Kissel (con H₂ en los productos de combustión), Bunte, Grebbel y diagrama de eficiencia energética en función de la temperatura de los productos de combustión y del coeficiente de exceso de aire para combustiones completas (ver figura 6).

Figura 5. Diagrama de Ostwald.

Figura 6. Diagrama de la eficiencia.

Los diagramas de inflamabilidad son un tipo de diagrama ternario que muestra los regímenes de inflamabilidad en mezclas de combustible, oxígeno y un gas inerte, normalmente nitrógeno. Las mezclas de los tres gases generalmente se representan en un diagrama triangular, también conocido como diagrama ternario. Dichos diagramas están disponibles en la literatura especializada. La figura 7 muestra este diagrama para el metano, construido a partir de datos disponibles y/o añadidos por el usuario.

Figura 7. Diagrama ternario de inflamabilidad para el CH4.

Finalmente, hay que indicar que el software permite muchos más cálculos y posibilidades de los mostrados en este artículo, en la web https://thermocombustion-hf-docs.thermosuite.com, pueden consultarse otros análisis, lo que convierte a este software en una herramienta potente, útil y necesaria para los técnicos de combustión, tanto en la industria como en el ámbito de enseñanzas técnicas empleando la versión educacional.