La eficiencia total de combustión se define como la eficacia de cualquier aparato de combustión para convertir la energía interna contenida en un combustible en energía calórica para ser usada en el proceso. Eficiencia de combustión es la energía total contenida por unidad de combustible menos la energía llevada por los gases de combustión y el combustible no quemado.

Antes de realizar grandes inversiones de capital para mejorar el rendimiento de la caldera, se debe maximizar la eficiencia de la combustión y el mejor camino para hacerlo es medir el oxígeno y el combustible no quemado en el gas de combustión en forma continua.

Teoría y estequiometría de la combustión

Los tres componentes esenciales de la combustión son combustible, oxígeno y calor. La combustión estequiométrica está definida como la cantidad exacta de oxígeno y combustible para que se alcance la mayor cantidad de calor. En la mayoría de los combustibles fósiles, los elementos químicos que reaccionan con el oxígeno para liberar calor son el carbono y el hidrógeno.

Las reacciones estequiométricas para carbón puro, oxígeno e hidrógeno, son las siguientes:

Para estas reacciones estequiométricas de combustión, solamente calor y CO₂ o H₂O son el resultado.

Los combustibles comunes consisten de compuestos que contienen ciertas cantidades de hidrógeno y carbono. El calor liberado cuando se quema el combustible se conoce como calor de combustión.

Idealmente, se quiere proveer la cantidad justa de aire para quemar completamente todo el combustible, pero esto resulta difícil de alcanzar por inadecuadas mezclas de aire y combustible, rendimiento de los quemadores, fluctuaciones de operación, condiciones ambientales, y desgaste del quemador, entre otras razones.

Para garantizar que el combustible es quemado y que muy poco o nada escapa en los gases de combustión, se provee una cierto exceso. Para garantizar que este exceso de aire no sea mayor que el requerido, se mide el excedente de oxígeno en el gas de combustión, y para asegurar que la cantidad de hidrógeno o monóxido de carbón en el gas de combustión está minimizada, se deben medir los combustibles no quemados.

Figura 1. Eficiencia de combustión estequiométrica.

La importancia del exceso de aire

La pérdida de calor en los gases de combustión es la principal pérdida de energía en un proceso de este tipo y es imposible de eliminar, porque los productos de este proceso son calentados por el proceso mismo. No obstante, puede ser minimizada reduciendo la cantidad de exceso de aire suministrado al quemador.

Ya que el oxígeno en los gases de combustión está directamente relacionado al exceso de aire, un analizador de oxígeno es la mejor manera para controlar la cantidad de exceso de aire y la pérdida de calor asociada.

Pérdidas por combustible no quemado

Nunca se debe operar un quemador con menos aire que el requerido estequiométricamente para la combustión. No sólo resultaría en una chimenea humeante, sino que reduciría significativamente la energía total liberada en el proceso debido al combustible no quemado.

Si un quemador es operado con una deficiencia de aire, no se quemará todo el combustible y la cantidad de combustibles (CO y H₂) en los gases de combustión se incrementa.

Figura 2. Puntos óptimos de control en función de la carga de combustible
y el nivel de CO.

Medición de oxígeno y combustibles

Para mantener altos niveles de eficiencia de combustión, oxígeno y combustibles en los gases de combustión deben ser medirse. Esto lleva al principio fundamental de la eficiencia de combustión: "La eficiencia de combustión es maximizada cuando la cantidad correcta de exceso de aire es suministrado para que las pérdidas de energía por el combustible no quemado y el calor de los gases de combustión sea minimizada".

Analizadores combinados de oxígeno y combustibles permiten que ambas mediciones sean realizadas en un único punto de muestreo. Así, la fuente del exceso de aire puede ser controlada continuamente, minimizando las pérdidas de calor y el combustible no quemado y asegurando una operación más eficiente de su caldera.