DIMENSIONAMIENTO DE CHIMENEAS DE COMBUSTION.

Sistematización de Procedimiento para Dimensionamiento de Chimeneas en
Sistemas de Combustión Industrial
Los gases son lanzados verticalmente hacia arriba
por la chimenea. Subsecuentemente la denominada
estela de humos (que contiene dichos gases saliendo de
la chimenea) asciende por efecto de la boyantez
inducida por la menor densidad de los gases calientes
dentro de la estela. Así mismo,el viento que actúa en
dirección horizontal tiende a nivelar dicha estela
cambiándola de dirección hasta ponerla básicamente
horizontal. Se produce simultánea y subsecuentemente
el proceso de dispersión, tanto molecular como por
movimiento grueso y turbulencias. Las partículas, los
gases y olores se dispersan en todas direcciones en
particular hacia el suelo. La concentración con quearriban al suelo dependerá de varios factores en
particular la concentración en boca de chimenea así
como la altura de ésta. Es por tanto necesario, que se
cuente con un esquema metodológico para establecer
Revista Tecnológica ESPOL, Vol. 18, N. 1, 93-99, (Octubre, 2005), ISSN : 0257-1749
la interacción entre la concentración a nivel del suelo y
los parámetros mencionados.
Las regulacionesambientales actuales imponen que
se haga una simulación de la operación de la chimenea
(modelaje) para establecer si un dimensionamiento
planteado será suficiente para ubicar los niveles de
concentración de contaminantes a nivel del suelo por
debajo de los límites establecidos.
El presente trabajo intenta sistematizar un
procedimiento de análisis y cálculo de chimeneas, que
permita asegurar queel proceso de modelaje es
apropiado.
2. Introducción al problema
Los combustibles hidrocarburíferos típicos
contienen en su composición molecular carbono,
hidrógeno y azufre, así como cantidades menores de
oxígeno, nitrógeno, metales pesados, etc.
Si bien para efectos de contaminación todos estos
elementos deben tomarse en cuenta, para efectos de
combustión se considera los tres primerosde ellos,
dando una expresión molecular simplificada que se
expresa por CxHySz [3,8,11], que se puede expresar por
la molécula simplificada CHy/xSz/x. Así por ejemplo un
hidrocarburo que tuviere en % base masa de: C 86%,
H 12%, S 2% tendría como fórmula CH1.67S0.01.
Condiciones estequiométricas son aquellas en que
se suministra el oxígeno justamente necesario para
oxidar todos loscompuestos oxidables del
combustible. En este caso carbono, hidrógeno y azufre.
Los productos oxidados serían CO2, H2O y alguno de
los óxidos de azufre. Ello generaría la máxima
concentración de dichos productos en los gases. El
nitrógeno del aire aparece también en los gases de
salida (una muy pequeña cantidad podría haberse
convertido en óxidos nitrosos o nítrico).
Adicionalmente aparecenóxidos de nitrógeno
provenientes de la oxidación del nitrógeno contenido
en la molécula del combustible (si las tuviere).
Las condiciones estequiométricas no garantizan una
combustión necesariamente completa porque la
combustión debe darse en una mezcla homogénea
entre las moléculas de combustible y las moléculas de
oxigeno. Normalmente se suministra una cantidad
adicional denominada exceso deaire para garantizar la
completa oxidación de todas las moléculas. Dicho
exceso de aire ocasiona que además de bajar la
temperatura de los gases de combustión (por la mayor
carga térmica de los gases adicionales) se diluyan los
productos.
La ecuación de combustión completa (sin CO)
cuando hubiere exceso de aire (εA) es la siguiente [11]:
( )( )( ) ( )
( ) ( )( ) ( )( )( )
4 2 2 2 2 2
2 42 4 2
1 1 3.76
1 1 1 3.76
Y Z
Z X
Y Z Y
A X X X
Z Y Z Y Z
X A X X A X X
CH S O N CO H O
SO O N
ε
ε ε
+ + + + + → + +
+ + + + + + +
La concentración volumétrica de los gases es igual
al número de moles de esa especie dividido por el
número de moles totales de los productos. Por tanto, la
concentración en base seca de SO2 en fracción
volumétrica (calculada en base de moles)...