REVISTA (2018) 5–06, 31-35. ISSN 2395-8510
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CONAMTI 2018
Mecatrónica-Energías Renovables-Sistemas Computacionales-Innovación Agrícola
Estudio comparativo de la combustión de combustibles fósiles y
bioetanol
Hernández Flores M.A.1, Corona Rico C.E.1, Jarquin López G.1, Polupan G.2
1SEPI ESIME Culhuacan, Instituto Politecnoico Nacional ESIME Culhuacan,Av. Santa Ana No. 1000, Col. San Francisco Culhuacan, Coyoacan, C.P.
04430, México,CDMX. correspondencia: [email protected], [email protected], [email protected] 2 SEPI ESIME Zacatenco, Instituto Politecnoico Nacional ESIME Zacatenco, Av. Instituto Politécnico Nacional 1939, Col. Lindavista, Gustavo A.
Madero, C.P. 07738,México, CDMX, correspondencia: [email protected]
A R T ÍCULO
Acceptado 22 Junio 2018
Palabras clave:
Bioetanol, Caldera,
Combustión, Combustóleo, Gas
Natural.
RESUMEN
La emisión de gases de efecto invernadero es una temática importante hoy en día en México y una de las fuentes
principales son las plantas termoeléctricas, que son el motor de la generación eléctrica en este país. El objetivo del
trabajo es presentar un análisis de combustión comparativo entre tres combustibles; gas natural, combustóleo y
bioetanol, mediante una metodología de cálculo de los gases de combustión y el calor liberado neto para una misma
potencia generada. Los resultados muestran que los combustibles fósiles emiten una mayor cantidad de calor
liberado neto por unidad de combustible que el bioetanol lo cual significa un mayor consumo de este último. Sin
embargo, el bioetanol es el combustible que produce la menor cantidad de gases de efecto invernadero lo cual lo
convierte, en el contexto ecológico, en la mejor opción para su uso en la generación de energía eléctrica.
1. INTRODUCCION
La energía eléctrica es un factor determinante en el crecimiento económico
y en el desarrollo de un país y de su sociedad. Ante la incesante demanda
de energía eléctrica y el continuo aumento del precio de los combustibles
fósiles como el gas natural, uno llega a considerar el uso de energías
renovables para cubrir las necesidades energéticas del país en la medida de
lo posible.
La Agencia Internacional de la Energía menciona que en el 2015 se
emitieron 32 294 millones de toneladas de CO2 en el mundo y con una clara
tendencia a aumentar en los próximos años. De estas emisiones de CO2,
México generó 442 millones de toneladas, lo cual representa el 1.47% del
total en el mundo y ocupa el lugar número 12 en emisión de CO2 [1]. Tras
reafirmar su compromiso con el acuerdo de París en 2017 a reducir la
emisión de gases de efecto invernadero un 25% en 5 años máximo [2],
México debe implementar nuevas tecnologías para cumplirlo. Según los
datos publicados por la Secretaría de Energía, durante el 2017 en México,
el 69% de la energía eléctrica se generó en centrales termoeléctricas [3].
Una propuesta es introducir biocombustibles como fuentes primarias en las
centrales termoeléctricas, las cuales queman actualmente combustibles
fósiles.
Si se considera desde el punto de vista ecológico, el gas natural es el
combustible fósil menos contaminante, ya que no contiene azufre, ni
hidrocarburos no saturados, ni pesados. Generalmente la composición del
gas natural son hidrocarburos gaseosos y se caracteriza por la elevada
concentración de metano (CH4) [4].
El combustóleo es un combustible líquido y es el residuo de la destilación
a vacío del petróleo mezclado con aceite pesado, como diluente [4].
Figura 1. Planta termoeléctrica del Valle de México
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El bioetanol es un biocombustible obtenido a partir de la fermentación de
la masa orgánica y la biomasa rica en azúcares. El bioetanol elegido para el
análisis es uno que es producido por la empresa mexicana Fuel Flex México
S.A. de C.V. en conjunción con la Universidad Autónoma de Coahuila
(Uadec). Este combustible de segunda generación se obtiene a partir del
residuo generado durante la producción del tequila, también llamado
bagazo, y tiene una composición del 99.9% de etanol (C2H6O) [5].
La presente investigación presenta, inicialmente, un análisis de los
productos de la combustión del generador de vapor Unidad I con una
capacidad de 150 MW de la planta termoeléctrica Valle de México, ubicada
en el Estado de México (ver figuras 1 y 2). En esta Unidad se utilizan gas
natural y combustóleo; aunque este último ya no se quema en esta planta
desde hace varios años por su alto contenido de azufre, sirve como un punto
de referencia.
Posteriormente, se realiza un análisis de los productos bajo el caso
hipotético de que esta Unidad quemará bioetanol. Finalmente, esta
investigación realiza una comparación entre los tres combustibles.
2. MATERIALES Y MÉTODOS
A. Composición másica o volumétrica de los combustibles
La composición másica o volumétrica es importante en este análisis. En el
caso del gas natural y del combustóleo; sus composiciones volumétrica y
másica, respectivamente, fueron proporcionadas por el personal que labora
en la planta termoeléctrica del Valle de México. Para el bioetanol, su
composición másica se obtuvo a partir de su fórmula química [6].
B. Volúmenes de los gases de la combustión
Para el cálculo de los volúmenes de los gases de la combustión del
combustóleo y del bioetanol se utilizaron las siguientes ecuaciones con
coeficientes de exceso de aire desde 1.00 hasta 1.30 con incrementos de
0.05 [4]:
𝑉0 = 0.0889(𝐶 + 0.375𝑆) + 0.265𝐻 − 0.033𝑂 (1)
Donde:
𝑉0 = Volumen de aire con exceso de aire de 1.00 por kilogramo de
combustible. [𝑚3 𝑘𝑔⁄ ]
𝐶 = Porcentaje de carbono en la composición del combustible. [%]
𝑆 = Porcentaje de azufre en la composición del combustible. [%]
𝐻 = Porcentaje de hidrógeno en la composición del combustible. [%]
𝑂 = Porcentaje de oxígeno en la composición del combustible. [%]
𝑉𝑅𝑂2= 1.86 (
𝐶 + 0.375𝑆
100) (2)
Donde:
𝑉𝑅𝑂2 = Volumen de los gases triatómicos en los gases de combustión por
kilogramo de combustible. [𝑚3 𝑘𝑔⁄ ]
𝑉𝑁2
0 = 0.79𝑉0 + 0.8 (𝑁
100) (3)
Donde:
𝑉𝑁2
0 = Volumen del nitrógeno en los gases de la combustión con exceso de
aire de 1.00 por kilogramo de combustible. [𝑚3 𝑘𝑔⁄ ]
𝑁 = Porcentaje de nitrógeno en la composición del combustible. [%]
𝑉𝐻2𝑂0 = 0.111𝐻 + 0.0124𝑊 + 0.0161𝑉0 (4)
Donde:
𝑉𝐻2𝑂0 = Volumen del vapor de agua en los gases de la combustión con
exceso de aire de 1.00 por kilogramo de combustible. [𝑚3 𝑘𝑔⁄ ]
𝑊 = Porcentaje de humedad en la composición del combustible. [%]
De igual forma se aplicaron las siguientes ecuaciones para el gas natural
con los mismos coeficientes de exceso de aire e incrementos [4]:
𝑉0 = 0.0476 [0.5𝐶𝑂 + 0.5𝐻2 + 1.5𝐻2𝑆 + ∑(𝑚 + 0.25𝑛)𝐶𝑚𝐻𝑛 − 𝑂2] (5)
Donde:
𝑉0 = Volumen del aire con exceso de aire de 1.00 por metro cúbico de
combustible. [𝑚3 𝑚3⁄ ]
𝐶𝑂 = Porcentaje de monóxido de carbono en la composición del
combustible. [%]
𝐻2 = Porcentaje de hidrógeno en la composición del combustible. [%]
𝐻2𝑆 = Porcentaje de sulfuro de hidrógeno en la composición del
combustible. [%]
𝐶𝑚𝐻𝑛 = Porcentaje del hidrocarburo con m átomos de carbono y n átomos
de hidrógeno en la composición del combustible. [%]
𝑂2 = Porcentaje de oxígeno en la composición del combustible. [%]
𝑉𝑅𝑂2= 0.01 [𝐶𝑂2 + 𝐶𝑂 + 𝐻2𝑆 + ∑ 𝑚(𝐶𝑚𝐻𝑛)] (6)
Donde:
𝑉𝑅𝑂2 = Volumen de los gases triatómicos en los gases de combustión por
metro cúbico de combustible. [𝑚3 𝑚3⁄ ]
𝐶𝑂2 = Porcentaje de dióxido de carbono en la composición del combustible.
Figura 2. Plano esquemático de la Unidad I
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[%]
𝑉𝑁2
0 = 0.79𝑉0 + 0.01𝑁2 (7)
Donde:
𝑉𝑁2
0 = Volumen del nitrógeno en los gases de la combustión con exceso de
aire de 1.00 por metro cúbico de combustible. [𝑚3 𝑚3⁄ ]
𝑁2 = Porcentaje de nitrógeno en la composición del combustible. [%]
𝑉𝐻2𝑂0 = 0.01 [𝐻2𝑆 + 𝐻2 + ∑ 0.5𝑛(𝐶𝑚𝐻𝑛) + 1.24] + 0.0161𝑉0 (8)
Donde:
𝑉𝐻2𝑂0 = Volumen del vapor de agua en los gases de la combustión con
exceso de aire de 1.00 por metro cúbico de combustible. [𝑚3 𝑘𝑔⁄ ]
Para coeficientes de exceso de aire mayores a 1.00, se tienen las siguientes
ecuaciones [4]:
𝑉𝐻2𝑂 = 𝑉𝐻2𝑂0 + 0.0161(∝ −1)𝑉0 (9)
Donde:
𝑉𝐻2𝑂 = Volumen del vapor de agua en los gases de la combustión con un
exceso de aire α por unidad de combustible. [𝐾𝐽 (𝑚3 𝑜 𝑘𝑔)⁄ ]
∝ = Coeficiente de exceso de aire.
𝑉𝑁2= 𝑉𝑁2
0 + 0.79(∝ −1)𝑉0 (10)
Donde:
𝑉𝑁2 = Volumen de nitrógeno en los gases de la combustión con un exceso
de aire α por unidad de combustible. [𝐾𝐽 (𝑚3 𝑜 𝑘𝑔)⁄ ]
𝑉𝑔𝑎𝑠 = 𝑉𝑅𝑂2+ 𝑉𝑁2
0 + 𝑉𝐻2𝑂 + (∝ −1)𝑉0 (11)
Donde:
𝑉𝑔𝑎𝑠 = Volumen de los gases de la combustión con un exceso de aire α por
unidad de combustible. [𝐾𝐽 (𝑚3 𝑜 𝑘𝑔)⁄ ]
C. Calor liberado neto
Para el cálculo del calor liberado neto se aplica la siguiente ecuación
tomando en cuenta que cada reacción química de cada combustible es
completa y tienen un coeficiente de exceso de aire de 1.05, el cual es común
en la planta termoeléctrica [7], [8]:
𝑄 = ∑ 𝑁𝑝(ℎ𝑓𝑜 + ℎ − ℎ0)
𝑝− ∑ 𝑁𝑟(ℎ𝑓
𝑜 + ℎ − ℎ0)𝑟
(12)
Donde:
Q = Calor liberado en la reacción química [𝐾𝐽 kmol⁄ de combustible]
𝑁𝑝= Número de moles del producto p.
𝑁𝑟= Número de moles del reactivo r.
ℎ𝑓𝑜 = Entalpia de formación del producto o reactivo en el estado de
referencia (25°C y 1 atm) [𝐾𝐽 kmol⁄ ]
ℎ = Entalpia sensible del producto o reactivo a una temperatura [𝐾𝐽 kmol⁄ ].
ℎ0 = Entalpia sensible del producto o reactivo en el estado de referencia
(25°C y 1 atm) [𝐾𝐽 kmol⁄ ]
Según datos de operación de la planta, el aire entra en la cámara de
combustión a una temperatura de 270°C mientras que los combustibles lo
hacen a una temperatura de 25°C.
Cabe destacar que la formación de SOx (representados por SO2) solamente
está presente en el combustóleo ya que este es el único combustible que
contiene azufre en su composición.
Para representar el peor caso posible en la combustión, se considera que
todo el oxígeno excedente reacciona con el nitrógeno del aire resultando en
la formación de NOx (que se pueden representar por NO). Para ello se
divide la combustión en dos reacciones; una combustión completa cuya
ecuación química depende de cada combustible (en el caso del
combustóleo, en esta reacción se forman los SOx), y otra en donde se lleva
a cabo la siguiente reacción química:
𝑎𝑂2 + 𝑏𝑁2 → 𝑐𝑁𝑂 + 𝑑𝑁2 (13)
Donde los coeficientes estequiométricos de esta ecuación (a, b, c y d)
dependen de la cantidad de oxígeno sobrante y de nitrógeno resultantes de
la primera reacción química.
Para obtener el calor liberado neto después de la formación de SOx y NOx,
primero se calcula el calor generado por la combustión completa y después
se le resta el calor necesario para la formación de NOx.
Para concluir, se calcula los flujos másicos de cada combustible necesarios
para generar una potencia de 150 MW así como sus respectivos flujos
volumétricos de los gases triatómicos (CO2 y SOx) y de los gases de la
combustión (H2O, CO2, N2, NOx y SOx).
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
El aire mínimo necesario para quemar por completo una unidad de
combustible (kg para el combustóleo y bioetanol; m3 para el gas natural) se
presenta en la figura 3. El bioetanol necesita aproximadamente un 30%
menos de aire que el gas natural y el combustóleo para consumirse por
completo.
El calor liberado neto de cada combustible a un exceso de aire α = 1.05 se
muestra en la figura 4. En esta figura se puede apreciar que la diferencia
entre los combustibles es considerable en un amplio rango de temperatura
de los gases de la combustión. Asimismo, el calor liberado neto disminuye
a medida que aumenta la temperatura de los gases de la combustión.
Figura 3. Volumen de aire teórico V0 por unidad de combustible m3 /
(m3 o kg)
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El flujo de combustible necesario para producir 150 MW de potencia con
un coeficiente de exceso de aire α = 1.05 se muestra en la figura 5. El
consumo de combustible del bioetanol es el mayor entre los tres
combustibles a causa de su menor calor liberado neto, en cambio, no es
necesario tanto flujo de combustible de combustóleo gracias a su mayor
cantidad de calor liberado neto. El consumo de combustible se incrementa
de manera importante cuando la temperatura de los gases de la combustión
es mayor a 1750 K.
El flujo de gases triatómicos (CO2 y SOx) con un coeficiente de exceso de
aire α = 1.05 para cada combustible con una generación de potencia de 150
MW se muestra en la figura 6. El combustóleo es el combustible que
produce la mayor cantidad de gases triatómicos cuando la temperatura de
los gases de la combustión es menor a 2100 K debido a su alto contenido
de azufre en su composición. El bioetanol y el gas natural generan una
cantidad similar de gases triatómicos.
El flujo de gases de combustión con un coeficiente de exceso de aire α =
1.05 para cada combustible con una generación de potencia de 150 MW se
muestra en la figura 7. El gas natural es el que produce la mayor cantidad
debido a que necesita mayor cantidad de aire para quemar todos los
hidrocarburos de su composición. El combustóleo es el que genera la menor
cantidad gracias a su alto calor liberado neto.
4. CONCLUSIONES
Para una misma potencia, el bioetanol propuesto en este trabajo emite
volúmenes de gases de combustión (H2O, CO2, N2, NOx y SOx) menores a
los generados del gas natural y produce una menor cantidad de gases
triatómicos (CO2 y SOx) que el combustóleo, estos dos factores convierten
al bioetanol en el mejor combustible para el cuidado del medio ambiente.
Un factor negativo del bioetanol es su mayor consumo de combustible
comparado con el gas natural y el combustóleo para la misma potencia. Esto
se puede anular si la elaboración, transporte, almacenamiento y demás
actividades relacionadas del bioetanol son los más viables de los tres
combustibles.
No es recomendable que los gases de la combustión tengan una temperatura
mayor a los 1750 K después de la combustión ya que esto requiere un
consumo excesivo de cualquier combustible para la misma generación de
potencia y, por ende, una mayor producción de gases de combustión lo cual
es perjudicial para el medio ambiente.
Figura 6. Flujo de gases triatómicos vs temperatura de los gases de
combustión.
Figura 7. Flujo de gases de combustión vs temperatura de los gases
de combustión.
Figura 4. Calor liberado neto vs temperatura de los gases de
combustión.
Figura 5. Flujo de combustible vs temperatura de los gases de
combustión.
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REFERENCIAS
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World Energy Statistics. 60-69.
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Acuerdo de París sobre el cambio climático [Online]. Disponible:
https://imco.org.mx/medio_ambiente/mexico-ratifica-el-acuerdo-de-paris-
sobre-el-cambio-climatico/
[3] (2017). Secretaria de Energía, Sistema de Información Energética [Online].
Disponible: http://sie.energia.gob.mx/movil.do?action=temas
[4] Reyes Santiago, Guillermo (2016). Estudio de la Combustión Incompleta
de Gas Dulce-Oxígeno en Generadores de Vapor en Fondo de Pozo
Petrolero (Tésis). México.
[5] Sánchez Banda, Felipe (2017). Bioetanol: el combustible alternativo para
México. Prensa Conacyt [Online]. Disponible:
http://www.conacytprensa.mx/index.php/tecnologia/energia/12825-
bioetanol-el-combustible-alternativo-para-
mexico?fb_comment_id=1108396525952805_1112994405493017#f47ab0
712cf3f4
[6] Chang, Raymond & Goldsby, Kenneth A (2013). Química. México. Ed.
McGraw-Hill. 11va Edición.
[7] Çengel, Yunus A. & Boles, Michael A. (2015). Termodinámica. México.
Ed. McGraw-Hill. 8va Edición.
[8] Barbosa Saldaña, Juan Gabriel & Gutiérrez Torres, Claudia del Carmen &
Jiménez Bernal, José Alfredo (2016). Termodinámica para Ingenieros.
México. Ed. Grupo Editorial Patria. 1ra Edición.