Combustibles en la industria y calores de reacción — guía técnica extendida

Introducción: por qué el calor importa en química e industria

El calor es la forma de energía que condiciona la viabilidad técnica y económica de la mayoría de los procesos industriales. Aunque su estudio formal pertenece a la física, en la práctica industrial casi todo el calor útil proviene de reacciones químicas, sobre todo de la combustión. Entender calores de reacción, poder calorífico y cómo integrar estas magnitudes en balances energéticos es imprescindible para diseñar calderas, hornos, reactores y sistemas de recuperación de energía.

Conceptos fundamentales

Calor de reacción (ΔH) y ecuaciones termoquímicas

• Definición técnica: el calor de reacción es la energía térmica liberada o absorbida cuando las cantidades estequiométricas indicadas en una ecuación reaccionan bajo condiciones especificadas (estado físico, temperatura de referencia).
• Notación: se expresa al final de la ecuación química, por ejemplo:

$${\mathrm{H}}_2+\mathrm{C}{\mathrm{l}}_2\to 2\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{l}\mathrm{\Delta }H=-44000\text{ cal}\backslash mathrm\{H\_2\; +\; Cl\_2\; \backslash rightarrow\; 2\backslash ,HCl\}\backslash quad\backslash Delta\; H\; =\; -44\backslash ,000\backslash \; \backslash text\{cal\}$$

(signo negativo indica exotérmica; positivo indica endotérmica).

• Unidades: en química clásica se usan calorías (cal) o kilocalorías (kcal); en ingeniería térmica es habitual usar kJ o MJ. Conversión: $1\text{ kcal}=4.184\text{ kJ}1\backslash \; \backslash text\{kcal\}=4\{.\}184\backslash \; \backslash text\{kJ\}$.

Ecuaciones termoquímicas y estados físicos

• Siempre indicar estado físico (s, l, g, aq) y condiciones (T, P) porque ΔH depende de ellos.
• Las ecuaciones termoquímicas sirven para balances energéticos: la energía liberada por reacciones se compensa con pérdidas, trabajo y acumulación térmica.

De la molaridad al poder calorífico: magnitudes prácticas

Por qué la industria usa poder calorífico

• Los calores de reacción se refieren a moles; los combustibles comerciales se compran por masa o volumen. Por eso se define el poder calorífico: energía liberada por la combustión completa de 1 kg (sólidos/líquidos) o 1 m³ (gases) del combustible.

PCS y PCI: diferencia esencial

• Poder Calorífico Superior (PCS): incluye la energía recuperable por la condensación del vapor de agua formado en la combustión.
• Poder Calorífico Inferior (PCI): asume que el vapor de agua sale en forma de gas y su calor latente no se recupera.
• Relación práctica: $\text{PCS}=\text{PCI}+m_{{\text{H}}_2}\cdot L_v\backslash text\{PCS\}\; =\; \backslash text\{PCI\}\; +\; m\_\{\backslash text\{H\}\_2\}\backslash cdot\; L\_v$ donde $m_{{\text{H}}_2}m\_\{\backslash text\{H\}\_2\}$ es la masa de agua formada por kg de combustible y $L_{v}L\_v$ el calor latente de vaporización del agua. En combustibles ricos en hidrógeno la diferencia PCS–PCI es mayor.

Medición del poder calorífico: bomba calorimétrica (procedimiento técnico)

1. Preparación: pesar muestra representativa; secar si procede; colocar en cápsula de combustión.
2. Combustión en atmósfera de oxígeno: la muestra se quema en una cámara rígida (bomba) llena de O₂ a presión; los gases calientes transfieren calor al baño de agua que rodea la bomba.
3. Medición: registrar el aumento de temperatura del baño $\mathrm{\Delta }T\backslash Delta\; T$. Conocer la capacidad calorífica del sistema $C_{\text{sys}}C\_\{\backslash text\{sys\}\}$ (cal·°C⁻¹).
4. Cálculo del calor liberado:

$$Q_{\text{lib}}=C_{\text{sys}}\cdot \mathrm{\Delta }T-Q_{\text{correcciones}}Q\_\{\backslash text\{lib\}\}\; =\; C\_\{\backslash text\{sys\}\}\backslash cdot\; \backslash Delta\; T\; –\; Q\_\{\backslash text\{correcciones\}\}$$

donde las correcciones incluyen calor de combustión del soporte, calor de formación de NOx, corrección por humedad, etc.

5. Normalización: dividir $Q_{\text{lib}}Q\_\{\backslash text\{lib\}\}$ por la masa (kg) o volumen (m³) de la muestra para obtener kcal/kg o kcal/m³; convertir a kJ/kg si se requiere.
6. Buenas prácticas metrológicas: calibrar con patrón (p. ej. benzoína), reportar incertidumbre, repetir ensayos y registrar condiciones (T, humedad).

Combustión: estequiometría y rendimiento

Balance estequiométrico básico

Para combustión completa de un hidrocarburo genérico ${\mathrm{C}}_{\mathrm{x}}{\mathrm{H}}_{\mathrm{y}}\backslash mathrm\{C\_xH\_y\}$:

$${\mathrm{C}}_{\mathrm{x}}{\mathrm{H}}_{\mathrm{y}}+(\mathrm{x}+\frac{\mathrm{y}}{4}){\mathrm{O}}_2\to \mathrm{x}\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2+\frac{\mathrm{y}}{2}{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\backslash mathrm\{C\_xH\_y\; +\; \backslash left(x+\backslash tfrac\{y\}\{4\}\backslash right)O\_2\; \backslash rightarrow\; x\backslash ,CO\_2\; +\; \backslash tfrac\{y\}\{2\}\backslash ,H\_2O\}$$

Calcular aire teórico y luego aplicar exceso de aire (normalmente 5–20 %) para asegurar combustión completa y controlar temperatura de llama.

Rendimiento térmico y pérdidas

• Rendimiento de combustión: relación entre energía útil entregada y energía contenida en el combustible (PCI).
• Pérdidas típicas: calor en gases de combustión, radiación, pérdidas por purgas, calor en cenizas y humedad.
• Medida práctica: análisis de gases (O₂, CO₂, CO, NOx) y termografía para cuantificar pérdidas y optimizar relación aire/combustible.

Tipos de combustibles industriales y características clave

Sólidos

• Carbón (antracita, hulla, lignito) y biomasa.
• Parámetros críticos: PCI (kcal/kg), humedad, contenido de cenizas, poder calorífico por tonelada, contenido de azufre (emisiones SOx), granulometría.
• Aplicaciones: calderas industriales, hornos de proceso, generación de vapor.

Líquidos

• Fuel oil, diésel, gasóleos.
• Parámetros críticos: PCI, punto de inflamación, viscosidad, contenido de azufre, estabilidad y formación de residuos.
• Aplicaciones: calderas, motores diésel, quemadores industriales.

Gaseosos

• Gas natural (principalmente CH₄), gases de síntesis (CO + H₂), gas de ciudad histórico.
• Parámetros críticos: PCI por m³, composición (CH₄, C₂H₆, CO, H₂), poder calorífico volumétrico, presencia de CO o H₂S (toxicidad/corrosión).
• Ventajas: fácil transporte por tubería, control de combustión, baja ceniza.

Combustibles especiales

• H₂, acetileno: alto poder calorífico por masa (H₂) o por volumen (acetileno en mezcla), pero requieren manejo y seguridad específicos (explosividad, almacenamiento).
• Biocombustibles y residuos: variabilidad de composición; evaluar trazabilidad y tratamiento de cenizas.

Criterios de selección de combustible en planta

1. Costo por unidad de energía útil (€/GJ o $/kcal) — comparar usando PCI y eficiencia del equipo.
2. Compatibilidad con equipos (quemadores, bombas, sistemas de alimentación).
3. Emisiones y cumplimiento normativo (SOx, NOx, CO, partículas).
4. Disponibilidad y logística (almacenamiento, transporte, continuidad de suministro).
5. Impacto operativo (mantenimiento, limpieza de cenizas, corrosión).
6. Sostenibilidad (huella de carbono, posibilidad de mezcla con biocombustibles).

Integración en balances energéticos y diseño de equipos

Balance energético simple para caldera o horno

$${\dot{Q}}_{\text{comb}}={\dot{m}}_{\text{comb}}\cdot \text{PCI}\backslash dot\{Q\}\_\{\backslash text\{comb\}\}\; =\; \backslash dot\{m\}\_\{\backslash text\{comb\}\}\backslash cdot\; \backslash text\{PCI\}$$

$${\dot{Q}}_{\acute{\text{u}}\text{til}}={\eta }_{\text{sistema}}\cdot {\dot{Q}}_{\text{comb}}\backslash dot\{Q\}\_\{\backslash text\{útil\}\}\; =\; \backslash eta\_\{\backslash text\{sistema\}\}\backslash cdot\; \backslash dot\{Q\}\_\{\backslash text\{comb\}\}$$

donde ${\eta }_{\text{sistema}}\backslash eta\_\{\backslash text\{sistema\}\}$ incluye pérdidas por gases, radiación y pérdidas auxiliares. Dimensionar intercambiadores y economizadores con margen de seguridad y considerando variabilidad del combustible.

Ejemplo numérico rápido

• Datos: combustible PCI = $\mathrm{8,000}\text{ kcal/kg}8\{,\}000\backslash \; \backslash text\{kcal/kg\}$, consumo = $0.5\text{ kg/s}0\{.\}5\backslash \; \backslash text\{kg/s\}$, eficiencia estimada = 85 %.
• Cálculo:

$${\dot{Q}}_{\text{comb}}=0.5\cdot \mathrm{8,000}=\mathrm{4,000}\text{ kcal/s}=\mathrm{4,000}\cdot 4.184=\mathrm{16,736}\text{ kJ/s}\backslash dot\{Q\}\_\{\backslash text\{comb\}\}\; =\; 0\{.\}5\backslash cdot\; 8\{,\}000\; =\; 4\{,\}000\backslash \; \backslash text\{kcal/s\}\; =\; 4\{,\}000\backslash cdot\; 4\{.\}184\; =\; 16\{,\}736\backslash \; \backslash text\{kJ/s\}$$

$${\dot{Q}}_{\acute{\text{u}}\text{til}}=0.85\cdot \mathrm{16,736}=\mathrm{14,225.6}\text{ kJ/s}\backslash dot\{Q\}\_\{\backslash text\{útil\}\}\; =\; 0\{.\}85\backslash cdot\; 16\{,\}736\; =\; 14\{,\}225.6\backslash \; \backslash text\{kJ/s\}$$

(usar estas cifras para dimensionar intercambiadores y bombas).

Control de calidad del combustible y muestreo

• Plan de muestreo: representativo por lotes; muestreo en puntos de alimentación y almacenamiento.
• Análisis rutinario: PCI (bomba calorimétrica), humedad, cenizas, contenido de azufre, poder calorífico elemental (C, H, N, S).
• Trazabilidad: registrar resultados, proveedor, fecha y lote; usar para contratos y ajustes de precio por energía real.

Eficiencia energética y recuperación de calor

• Economizadores: recuperar calor de gases de combustión para precalentar agua de alimentación.
• Recuperadores de calor latente: condensadores para recuperar calor de vapores (aprovechar PCS).
• Cogeneración: producir simultáneamente electricidad y calor útil para mejorar eficiencia global.
• Optimización de combustión: control automático de relación aire/combustible, quemadores modulantes y análisis continuo de gases.

Emisiones, seguridad y gestión de riesgos

• Emisiones: optimizar combustión para minimizar CO y emisiones de partículas; instalar depuración (filtros, precipitadores, desulfurización).
• Seguridad: procedimientos LOTO, detección de fugas, ventilación, manejo seguro de combustibles (almacenamiento, bombas, válvulas).
• Riesgos térmicos y explosivos: ATEX y zonificación en áreas con gases inflamables; formación de personal y planes de emergencia.
• Manejo de residuos: cenizas, escorias y subproductos deben gestionarse conforme a normativa ambiental.

Buenas prácticas operativas y de ingeniería

• Dimensionar con PCI real y margen de variabilidad del combustible.
• Implementar muestreo y análisis periódicos con trazabilidad.
• Automatizar control de combustión y realizar mantenimiento predictivo (análisis de vibraciones, termografía).
• Evaluar recuperación de calor (economizadores, condensadores) mediante análisis coste/beneficio.
• Capacitar al personal en seguridad, análisis de gases y respuesta a emergencias.
• Documentar procedimientos de arranque/parada, limpieza y mantenimiento.

Conclusión y pasos prácticos para implementación

1. Medir: establecer programa de muestreo y medir PCI/PCI y composición del combustible.
2. Modelar: integrar valores medidos en balances energéticos y dimensionar equipos con margen.
3. Optimizar: ajustar relación aire/combustible, instalar economizadores y considerar cogeneración.
4. Controlar: monitorizar emisiones y calidad del combustible; mantener trazabilidad.
5. Proteger: implantar medidas de seguridad, formación y gestión de residuos.

Apéndice técnico rápido

• Conversión energética: $1\text{ kcal}=4.184\text{ kJ}1\backslash \; \backslash text\{kcal\}\; =\; 4\{.\}184\backslash \; \backslash text\{kJ\}$.
• Relación H₂ → agua: cada mol de H₂ produce $11$ mol de $H_{2}OH\_2O$ (vapor) liberando energía de combustión que afecta PCS–PCI.
• Regla práctica: para combustibles con alto contenido de H, la diferencia PCS–PCI puede ser significativa (varios % del PCS).
• Unidad comercial: precios de combustibles suelen negociarse por energía útil (€/GJ) en contratos industriales.