Monografía sobre la combustión

Combustión: proceso de oxidación rápida de una sustancia, acompañado de un aumento de calor y frecuentemente de luz. En el caso de los combustibles comunes, el proceso consiste en una combinación química con el oxígeno de la atmósfera que lleva a la formación de dióxido de carbono, monóxido de carbono y agua, junto con otros productos como dióxido de azufre, que proceden de los componentes menores del combustible. El término combustión, también engloba el concepto de oxidación en sentido amplio. El agente oxidante puede ser ácido nítrico, ciertos percloratos e incluso cloro o flúor. (Para la mayoría de los combustibles y productos químicos que se mencionan aquí, consúltese el artículo correspondiente).

Liberación de energía

La mayoría de los procesos de combustión liberan energía (casi siempre en forma de calor), que se aprovecha en los procesos industriales para obtener fuerza motriz o para la iluminación y calefacción domésticas. La combustión también resulta útil para obtener determinados productos oxidados, como en el caso de la combustión de azufre para formar dióxido de azufre y ácido sulfúrico como producto final. Otro uso corriente de la combustión es la eliminación de residuos.

La energía liberada durante la combustión provoca una subida de temperatura en los productos. La temperatura alcanzada dependerá de la velocidad de liberación y disipación de energía, así como de la cantidad de productos de combustión. El aire es la fuente de oxígeno más barata, pero el nitrógeno, al constituir tres cuartos del aire en volumen, es el principal componente de los productos de combustión, con un aumento de temperatura considerablemente inferior que en el caso de la combustión con oxígeno puro. Teóricamente, en toda combustión sólo se precisa añadir una mínima porción de aire al combustible para completar el proceso. Sin embargo, con una mayor cantidad de aire, la combustión se efectúa con mayor eficacia y aprovechamiento de la energía liberada. Por otra parte, un exceso de aire reducirá la temperatura final y la cantidad de energía liberada. En consecuencia habrá de establecerse la relación aire-combustible en función del nivel de combustión y temperatura deseados. Para lograr altas temperaturas puede utilizarse aire rico en oxígeno, o incluso oxígeno puro, como en el caso de la soldadura oxiacetilénica. El nivel de combustión puede aumentarse partiendo el material combustible para aumentar su superficie y de este modo incrementar su velocidad de reacción. También se consigue dicho aumento añadiendo más aire para proporcionar más oxígeno al combustible. Cuando se necesita liberar energía de modo instantáneo, como en el caso de los cohetes, puede incorporarse el oxidante directamente al combustible durante su elaboración.

Combustibles sólidos

Por orden de potencial calorífico, los combustibles sólidos más comunes son: el carbón, el coque, la madera, el bagazo de caña de azúcar y la turba. La combustión de estos materiales provoca la descomposición del combustible y la formación de materias volátiles como el gas, que arden con una llama tiznosa. Los residuos de sólidos carbónicos arden dependiendo de la difusión de oxígeno en su superficie. Esta combustión precisa una temperatura en la superficie que oscile entre 400 y 800 °C, que puede conseguirse por la radiación del calor procedente de un objeto o medio de temperatura elevada. Al quemar combustible en una chimenea, el aire debe ir atravesando el combustible sólido, manteniéndose la temperatura necesaria se mantiene por radiación entre las partículas. Al objeto de lograr una combustión más rápida, al carbón se le añade aire y se le trata en un horno. La relación aire-combustible necesaria dependerá fundamentalmente del tipo de combustible empleado; así 1 kg de carbón común bituminoso requiere un mínimo de 11 kg de aire para completar la combustión. En el caso del carbón activado, la temperatura de las llamas puede llegar a los 1.540 °C . Si se quema carbón en polvo fino (polvo de carbón) u otro hidrocarburo en circunstancias no controladas, la combustión se produce con gran rapidez, casi como una explosión. Ejemplos de estos procesos de combustión acelerada son los incendios en minas causados por el polvo de carbón.

Combustibles líquidos y gaseosos

Los combustibles líquidos más comunes son el fuel-oil, la gasolina y las naftas derivadas del petróleo. Les siguen en importancia el alquitrán de hulla, el alcohol y el benzol obtenido en el proceso de elaboración de coque. En los hornos fijos, se introduce fuel-oil poco volátil en la cámara de combustión a través de unas boquillas, ya sea en presencia de vapor y aire o sin ella. En un motor de combustión interna, los combustibles volátiles como la gasolina o las mezclas de alcohol y gasolina (gasolina reformada) se evaporan y la mezcla penetra en el cilindro del motor, donde la combustión se provoca con una chispa. En el caso de estos combustibles se precisan entre 16 y 23 kg de aire para la combustión de 1 kg de combustible. En los motores diesel, el combustible se introduce en forma de lluvia atomizada en la cámara de combustión, donde el aumento de temperatura asociado con el nivel de compresión de dichos motores, es suficiente para provocar el encendido.

A los combustibles gaseosos como el gas natural, el gas refinado o los gases manufacturados, se les añade aire antes de la combustión para proporcionarles una cantidad suficiente de oxígeno. La mezcla de aire y combustible surge del quemador a una velocidad mayor que la de la propagación de la llama, evitando así el retroceso de ésta al quemador, pero permitiendo el mantenimiento de la llama en éste. Estos combustibles, en ausencia de aire, arden con llamas relativamente frías y humeantes. Cuando el gas natural arde en el aire alcanza temperaturas que superan los 1.930 °C.

Los cohetes espaciales suelen usar combustibles líquidos como el queroseno y la hidracina, y contienen oxidantes como el oxígeno líquido, el ácido nítrico o el peróxido de hidrógeno. Los lanzacohetes militares emplean combustibles sólidos como la cordita, a los que se incorpora oxígeno. Estos arden espontáneamente al calentarse por la radiación de los productos de la combustión.

Investigación de los combustibles

Al ser la combustión un elemento clave en la producción de energía, se destinan grandes esfuerzos a la investigación y descubrimiento de procesos más eficaces para quemar combustibles. Otra parte del esfuerzo de los investigadores se dirige a conseguir reducir la cantidad de contaminantes que se liberan durante la combustión, pues estos productos son causa de importantes problemas de deterioro medioambiental como la lluvia ácida. En los laboratorios de combustión, los científicos se valen de complejos sistemas láser para el estudio de los motores y sistemas de combustión, con el fin de detectar fugas de combustible y mejorar tales sistemas. También es frecuente el uso del láser en pruebas destinadas a clarificar los procesos químicos que se proceden en las llamas, a fin de comprender mejor las formas y usos del fuego.