Análisis teórico y experimental de la combustión de mezclas gas natural-hidrógeno bajo el régimen de combustión sin llama

Abstract

RESUMEN : En el año 2015, Colombia se comprometió a reducir un 20% las emisiones contaminantes proyectadas para el año 2030, por lo que se hace necesario apropiar el uso de combustibles de origen renovable e implementar tecnologías de alta eficiencia en todos los sectores de la economía como la industria, transporte, residencial y de generación de electricidad. Además, se requiere de mayor profundización en el estudio de la conversión de energía usando combustibles de bajo factor de emisión y tecnologías de combustión avanzada donde se tenga una combustión estable, alta eficiencia energética y muy bajas emisiones contaminantes. Si bien el gas natural (GN) es un combustible fósil de bajo factor de emisión de dióxido de carbono (CO2), se puede mejorar su combustibilidad y reducir aún más las emisiones al mezclarse con un combustible de potencial origen renovable y nulas emisiones de CO2 como el hidrógeno (H2). Por lo tanto, en este proyecto se presenta el estudio de la combustión de mezclas gas natural-hidrógeno (GN-H2) con proporciones de H2 variando de 0% a 45% en volumen, con lo cual se comienza contribuir para superar el rezago científico y tecnológico del país en esta materia, en tanto es el primer proyecto que se realiza en Colombia, no obstante la importancia de la investigación y el desarrollo tecnológico en torno a estas mezclas que se observa en la literatura científica internacional y en las políticas energéticas de muchos países. Adicionalmente, la combustión se estudió bajo el régimen de combustión sin llama, como una tecnología de combustión flexible, utilizando un horno disponible en el laboratorio de combustión del grupo de investigación GASURE que fue operado a carga constante, potencia térmica de 28 kW y a diferentes factores de aireación. Esta tecnología es considerada como promisoria debido a que se pueden obtener ultra bajas emisiones contaminantes, perfiles de temperatura uniformes y bajas inestabilidades dinámicas. El objetivo general del proyecto fue estudiar numérica y experimentalmente el comportamiento del régimen de combustión sin llama con mezclas GN-H2 en condiciones sub-atmosférica, en relación con la morfología de la zona de reacción, la estabilidad del régimen y la intensidad de las inestabilidades dinámicas. Durante la etapa experimental se realizaron mediciones de emisiones en chimenea y quimioluminiscencia espontánea de radical CH* usando cámara ICCD para observar la zona de reacción. Así mismo se midió el perfil de temperatura en el eje central del horno usando una sonda de temperatura y se determinó la eficiencia del horno mediante diagnóstico energético del sistema. Finalmente, se implementó una metodología de medición de la inestabilidad dinámica de presión al interior del horno. En la etapa de simulación se usó el solucionador del software FLUENT para evaluar el comportamiento del horno usando las mezclas de gases, la potencia y el factor de aireación de las pruebas reales. Los modelos fueron validados con los resultados experimentales y se encontró buena concordancia entre ellos, principalmente el campo de temperatura. Para todas las mezclas se obtuvo régimen estable de combustión sin llama y ultra bajas emisiones de NO y CO (< 12 ppm). Adicionalmente se determinó el límite de operación estable del horno basado en las emisiones de NO mediante uso de pruebas dinámicas donde se varió el factor de aireación en el tiempo. Los niveles de inestabilidad dinámica o fluctuación de presión se disminuyen con la adición de H2 y fueron menores a 35 Pa para todos los casos.

ABSTRACT: In 2015, Colombia undertook to reduce by 20% the polluting emissions projected for the year 2030, so it is necessary to appropriate the use of renewable fuels and implement high efficiency technologies in all sectors of the economy such as industry, transport, residential and electricity generation. In addition, it is necessary to deepen the study of energy conversion using low emission factor fuels and advanced combustion technologies where there are stable combustion, high energy efficiency and very low polluting emissions. Although GN is a fossil fuel with a low carbon dioxide (CO2) emission factor, it can improve its combustibility and further reduce emissions when mixed with a fuel of potential renewable origin and zero CO2 emissions such as H2. Therefore, this project presents the study of the combustion of natural gas-hydrogen (GN-H2) mixtures with proportions of H2 ranging from 0% to 45% in volume, which begins to contribute to overcome the scientific and technological backwardness of the country in this matter, as it is the first project carried out in Colombia, despite the importance of research and technological development around these mixtures that is observed in the international scientific literature and in the energy policies of many countries. Additionally, the combustion was studied under the flameless combustion regime, as a flexible combustion technology, using a furnace available in the combustion laboratory of the GASURE research group that was operated at constant load, 28 kW thermal power and different aeration factors. This technology is considered promising because it can obtain ultra low pollutant emissions, uniform temperature profiles, and low dynamic instabilities. The general objective of the project was to numerically and experimentally study the behavior of the flameless combustion regime with GN-H2 mixtures in sub-atmospheric conditions, in relation to the morphology of the reaction zone, the stability of the regime and the intensity of the dynamic instabilities. During the experimental stage, chimney emissions tests and the spontaneous chemoluminescence of CH* were performed using ICCD camera to observe the reaction zone. Likewise, the temperature profile in the central axis of the oven was measured using a temperature probe and the efficiency of the oven was determined by means of energy diagnosis of the system. Finally, a methodology for measuring the dynamic instability of pressure inside the furnace was implemented. In the simulation stage the FLUENT software solver was used to evaluate the behavior of the furnace using the gas mixtures, the power and the aeration factor of the real tests. The models were validated with the experimental results and a good agreement was found between them, mainly the temperature field. For all the mixtures, a stable flameless combustion regime and ultra low NO and CO emissions were obtained (<12 ppm). Additionally, the limit of stable operation of the furnace based on NO emissions was determined through the use of dynamic tests where the aeration factor was varied over time. The levels of dynamic instability or pressure fluctuations are decreased with the addition of H2 and were less than 35 Pa for all cases.