N1 Fundamentos · Lección 2 de 8 · 30 min

Estequiometría de la combustión: cuánto aire necesita una biomasa

Conversión termoquímica de la biomasa

Equipo docente de biomasa360 · Responsable: Dirección de oferta, calidad y Academia · Revisada el 25 de octubre de 2026 (revisión científica de cálculos y citas)

Al terminar podrás

Calcular el oxígeno y el aire estequiométricos a partir del análisis elemental.
Definir el exceso de aire y estimarlo con el oxígeno medido en los gases.
Explicar las etapas de la combustión de una partícula: secado, desvolatilización y combustión del carbono.

Conviene saber antes

Lección «Las rutas termoquímicas».
Curso «Caracterización», lección de análisis elemental.

Una partícula de biomasa que entra a un hogar pasa por tres etapas que se solapan: secado (sale el agua), desvolatilización (sale la materia volátil, que arde como llama) y combustión del carbono que queda (la brasa). La biomasa es rica en volátiles, por eso la mayor parte de su energía se libera en la llama, encima del lecho; el aire que llega a esa zona (aire secundario) es tan importante como el que pasa por la parrilla (aire primario).

La cantidad mínima de aire que permite oxidar todo el carbono, el hidrógeno y el azufre es el aire estequiométrico. Se calcula con el análisis elemental, restando el oxígeno que el propio combustible ya trae.

m_{O_2,st} = \frac{32{,}00}{12{,}01}\,C + \frac{32{,}00}{4{,}032}\,H + \frac{32{,}00}{32{,}06}\,S - O \qquad m_{aire,st} = \frac{m_{O_2,st}}{0{,}2314}

Oxígeno estequiométrico por kilogramo de combustible seco (C, H, S y O en fracción másica) y aire estequiométrico, con la fracción másica de O2 en el aire seco (0,2095 en moles × 31,998 ÷ 28,965 = 0,2314; masas molares del NIST Chemistry WebBook, Linstrom y Mallard, 2026).

Variables de la ecuación 1
Símbolo	Significado	Unidad
$m_{O_2,st}$	oxígeno estequiométrico	kg O2 / kg combustible seco
$m_{aire,st}$	aire estequiométrico	kg aire / kg combustible seco
$C, H, S, O$	fracciones másicas en base seca	kg/kg

Ejemplo resuelto 1

El aire que necesita una cascarilla

Calcula el aire estequiométrico de la cascarilla #993 (base seca: C 38,83 %; H 4,75 %; S 0,05 %; O 35,47 %).

Datos del ejemplo 1
Dato	Valor	Unidad	Fuente
$C, H, S, O$	0,3883; 0,0475; 0,0005; 0,3547	kg/kg bs	Phyllis2 #993 (Miles et al., 1995)

Oxígeno para el carbono.
$2{,}664 \times 0{,}3883 = 1{,}0344$
Oxígeno para el hidrógeno y el azufre.
$7{,}937 \times 0{,}0475 = 0{,}3770;\quad 0{,}998 \times 0{,}0005 = 0{,}0005$
Se resta el oxígeno del combustible.
$m_{O_2,st} = 1{,}0344 + 0{,}3770 + 0{,}0005 - 0{,}3547 = 1{,}057\ \mathrm{kg/kg}$
Aire.
$m_{aire,st} = \frac{1{,}057}{0{,}2314} = 4{,}57\ \mathrm{kg/kg}$

Resultado

m_{aire,st} \approx 4{,}6\ \mathrm{kg\ de\ aire\ por\ kg\ de\ cascarilla\ seca}

Interpretación: La cascarilla necesita menos aire por kilogramo seco que la madera (6,2 kg/kg en las astillas #3155) sobre todo porque una quinta parte de su masa (20,3 %) es ceniza, que no consume oxígeno. No es por el oxígeno que trae: la madera trae más (40,85 % frente a 35,47 %). En base seca sin ceniza, su demanda (≈5,7 kg/kg) se acerca a la de la madera (≈6,2).

Figura 1Aire estequiométrico de seis biomasas (kg de aire por kg seco)

El aire necesario va de ≈4,6 kg/kg (cascarilla) a ≈6,7 kg/kg (cuesco). El ventilador de una caldera dimensionada para cuesco sobra para cascarilla, pero no al revés.

Ver los datos en una tabla

Datos de la figura 1: Aire estequiométrico de seis biomasas (kg de aire por kg seco)
Biomasa	Aire
Cascarilla de arroz	4,57
Bagazo de caña	5,38
Paja de trigo	5,54
Fibra de palma	5,97
Astillas de residuo forestal	6,23
Cuesco de palma	6,7

Fuente: Derivado por biomasa360 con la ecuación de la lección y los análisis elementales de Phyllis2 (#993, #416, #991, #2237, #3155, #1834).

\lambda = \frac{m_{aire,real}}{m_{aire,st}} \approx \frac{21}{21 - O_{2,seco}}

Relación de aire (exceso de aire = λ − 1). La aproximación con el oxígeno medido en los gases secos supone combustión completa y que el volumen de gases secos es parecido al del aire; es la que usan los analizadores de combustión portátiles para una estimación rápida.

Variables de la ecuación 2
Símbolo	Significado	Unidad
$\lambda$	relación de aire	adimensional
$O_{2,seco}$	oxígeno en los gases de combustión secos	% en volumen

Ejemplo resuelto 2

Del oxígeno medido al aire que entra

Un analizador mide 6 % de O2 en los gases secos de una caldera de cascarilla. Estima λ y el aire real por kg de cascarilla seca.

Datos del ejemplo 2
Dato	Valor	Unidad	Fuente
$O_2$	6	% vol., gases secos	supuesto del ejemplo
$m_{aire,st}$	4,57	kg/kg bs	ejemplo anterior

Relación de aire.
$\lambda \approx \frac{21}{21 - 6} = 1{,}40$
Aire real.
$m_{aire} = 1{,}40 \times 4{,}57 = 6{,}40\ \mathrm{kg/kg}$

Resultado

\lambda \approx 1{,}4;\quad \text{exceso de aire} \approx 40\ \%

Interpretación: Un exceso de aire alto asegura que no quede CO, pero cada kilogramo de aire de más se calienta y sale por la chimenea: el oxígeno de los gases es la variable de control más barata de una caldera.

Figura 2Etapas de la combustión de una partícula de biomasa: secado, desvolatilización con llama y combustión de la brasa

Ejercicios

Cálculo●○○
Calcula el aire estequiométrico del cuesco de palma #1834 (C 53,97 %; H 6,11 %; O 37,15 %; S no informado, base seca).
Ver la solución
$\mathrm{O_2} = 2{,}664 \times 0{,}5397 + 7{,}937 \times 0{,}0611 - 0{,}3715 = 1{,}551\ \mathrm{kg/kg}$ ; aire: $1{,}551 \div 0{,}2314 = 6{,}70\ \mathrm{kg/kg}$ seco.
Cálculo●○○
Con 9 % de O2 en los gases secos, ¿cuál es el exceso de aire aproximado?
Ver la solución
λ ≈ 21 ÷ 12 = 1,75: exceso de 75 %.
Criterio●●○
¿Por qué en una caldera de biomasa no basta con dar todo el aire por debajo de la parrilla?
Ver la solución
Porque la mayor parte de la energía sale como volátiles que arden encima del lecho. Si todo el aire entra por abajo, el lecho se sobrecalienta (más escoria) y los volátiles salen sin aire suficiente (CO, hollín). El aire secundario quema los volátiles en la zona correcta.

Autoevaluación

¿Por qué se resta el oxígeno del combustible en el cálculo estequiométrico?
1. Porque no reacciona
2. Porque ya está disponible para la oxidación y reduce el aire necesario
3. Porque es ceniza
4. Por convención contable
Ver la respuesta
Respuesta: B. El oxígeno ligado al combustible participa en la oxidación y reduce el que debe aportar el aire.
Si el O2 en gases secos es 0 %, la relación de aire es aproximadamente…
1. 0
2. 1 (estequiométrica)
3. 2
4. 21
Ver la respuesta
Respuesta: B. 21 ÷ 21 = 1: no sobra oxígeno.
¿En qué etapa libera la biomasa la mayor parte de su energía?
1. Secado
2. Combustión de los volátiles (llama)
3. Enfriamiento de la ceniza
4. Ninguna
Ver la respuesta
Respuesta: B. La biomasa tiene 60–85 % de volátiles (curso de caracterización), que arden en la llama.

Referencias

TNO. (2026). Phyllis2: Database for the physico-chemical composition of (treated) lignocellulosic biomass, micro- and macroalgae, various feedstocks for biogas production and biochar [Base de datos]. Consultado el 25 de octubre de 2026. https://phyllis.nl/
Jenkins, B. M., Baxter, L. L., Miles, T. R., Jr., & Miles, T. R. (1998). Combustion properties of biomass. Fuel Processing Technology, 54(1–3), 17–46. https://doi.org/10.1016/S0378-3820(97)00059-3
Linstrom, P. J., & Mallard, W. G. (Eds.). (2026). NIST Chemistry WebBook, NIST Standard Reference Database Number 69. National Institute of Standards and Technology. Consultado el 25 de octubre de 2026. https://webbook.nist.gov/chemistry/

Para profundizar

Nussbaumer (2003), Energy & Fuels. — Fundamentos de la combustión de biomasa y medidas primarias (escalonamiento de aire y de combustible) para reducir emisiones.
van Loo y Koppejan (Eds.) (2012), The handbook of biomass combustion and co-firing (Routledge; 1.ª ed., Earthscan, 2008). — El manual de IEA Bioenergy sobre combustión: química, tecnologías de hogar, cenizas y emisiones.

Cómo citar esta lección

APA 7, para tu tesis o tu informe:

Equipo docente de biomasa360. (2026). Estequiometría de la combustión: cuánto aire necesita una biomasa (Versión 2026-10) [Lección del curso «Conversión termoquímica de la biomasa»]. Academia 360, biomasa360. Recuperado el 26 de octubre de 2026, de https://biomasa360.com/academia/conversion-termoquimica/estequiometria-de-la-combustion/

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