Estudio numérico y experimental del efecto de la inyección de agua sobre la estabilidad y emisiones de un sistema de combustión operando en régimen de combustión sin llama

Abstract

RESUMEN : En este trabajo se presentan los resultados obtenidos para la evaluación numérica y experimental del efecto que tiene el agua inyectada desde una fuente externa sobre la estabilidad y las emisiones de un régimen de combustión sin llama, cuando el agua se diluye en la zona de reacción. Se tomaron como criterios de evaluación la uniformidad de temperatura y la emisión de especies contaminantes como el monóxido de carbono y el óxido de nitrógeno. Para el estudio experimental se utilizó un horno de combustión sin llama operando con Gas Natural a 30 kW y cuyo quemador permite la operación con y sin auto regeneración de calor. El horno pertenece al grupo de investigación GASURE (Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas y Uso racional de la Energía) adscrito a la facultad de ingeniería de la Universidad de Antioquia, ubicada en Medellín, Colombia. Se midieron perfiles de temperatura y de especies al interior de la zona de reacción. También se registraron valores de presión, emisión de gases en chimenea y la captura de imágenes de radicales CH* y OH*. Para el estudio numérico, se utilizó el software Ansys Fluent 2020 donde se realizaron las distintas simulaciones que lograron capturar las variables de interés que no eran posibles medir con el montaje experimental. Para las simulaciones se utilizaron los modelos de k- ε realizable, Ordenadas Discretas y Eddy Dissipation Concept, para modelas la turbulencia, la trasferencia de calor por radiación y la combustión respectivamente, utilizando un mecanismo de reacción de 7 pasos. Adicionalmente, se utilizó el modelo de reactores en cadena para predecir el comportamiento de las especies contaminantes de interés. El estudio se llevó a cabo considerando diferentes flujos másicos de agua líquida inyectados directamente a la zona de reacción del horno cuando este operaba en el régimen de combustión sin llama sin auto regeneración de calor, con auto regeneración de calor y con enriquecimiento del aire con oxígeno. Se encontró que el horno operando en el régimen de combustión sin llama sin auto regeneración se vuelve inestable cuando la relación entre la masa de agua líquida inyectada sobre la masa de combustible es mayor a 2.5. Cuando se implementan estrategias como la regeneración de calor en el quemador y el enriquecimiento de aire de combustión con oxígeno, es posible aumentar la relación máxima de masa de agua líquida inyectada sobre la masa de combustible a la que puede operar el sistema a 4.3 y 5 respectivamente. Las conclusiones del trabajo fueron encontradas de forma experimental y ratificadas con buena precisión por las simulaciones numéricas.

ABSTRACT : This work presents the results obtained by numerical and experimental evaluation of the effect of water dilution on the stability and emissions of a flameless combustion regime when injected from an external source in the reaction zone. Temperature uniformity and the emission of pollutant species such as carbon monoxide and nitrogen oxide were taken as evaluation criteria. For the experimental study, a flameless combustion furnace operating with Natural Gas at 30 kW was used and whose burner allows operation with and without self-regeneration of heat. The furnace belongs to the research group GASURE (Group of Science and Technology of Gas and Rational Use of Energy) attached to the engineering faculty of the University of Antioquia, located in Medellín, Colombia. Temperature and species profiles were measured inside the reaction zone. Pressure values, stack gas emission and the capture of images of CH* and OH* radicals were also recorded. The numerical study was carried out using the software Ansys Fluent 2020. Simulations captured the variables of interest that were impossible to measure with the experimental setup. The k- ε realizable, Discrete Ordinate, and Eddy Dissipation Concept models were used to model turbulence, radiative heat transfer, and combustion, respectively, using a 7-step reaction mechanism. Additionally, the Reactor Network model was used to predict the behavior of the pollutant species of interest. The study was carried out considering different mass flows of liquid water injected directly into the furnace reaction zone when it operated in a flameless combustion regime at different conditions: i) without self-regeneration of heat, ii) self-regeneration heat and, iii) with oxygen enrichment of the air. The furnace operating under the flameless combustion regime without self-regeneration becomes unstable when the ratio of the mass of injected liquid water to the mass of fuel is greater than 2.5. When strategies such as the regeneration of heat in the burner and the oxygen enrichment of combustion air are implemented, it is possible to increase the maximum ratio of injected liquid water mass to fuel mass at which the system can operate to 4.3 and 5, respectively. The conclusions were found experimentally and ratified with good accuracy by numerical simulations.