Estudio numérico y experimental del efecto de la co-combustión del gas natural y el hidrógeno en un quemador autorregenerativo para un horno de crisol

Abstract

RESUMEN : Dada la transición energética que se está trazando en la última década buscando una disminución de emisiones de agentes contaminantes en las tecnologías futuras, el estudio del hidrógeno en la combustión es una de las alternativas más viables debido a la nula emisión de CO2 y las cualidades de combustión que brinda. Con base en ello, el presente trabajo busca contribuir al estado del arte de la combustión del hidrógeno por medio del estudio numérico y experimental de la combustión de este al mezclarse con gas natural, en un horno de crisol autorregenerativo para suplir una potencia de 90 kW (con base al poder calorífico inferior), analizando la fluidodinámica y transferencia de calor del horno y el regenerador, la estabilidad de la combustión y las emisiones; lo anterior en función de la proporción del hidrógeno en la mezcla a condiciones de presión subatmosférica: 85 kPa. En el presente proyecto se desarrollan dos experimentos para evaluar el desempeño del horno: análisis operacional del horno de crisol y sus regeneradores con hidrógeno enriquecido; estudio morfológico de una llama no premezclada en coflujo al precalentar el comburente bajo diferentes proporciones de hidrógeno-gas natural. Las mezclas evaluadas en el horno de crisol abarcan proporciones de 0, 20 y 40% vol.- H2 en cada experimento, con la finalidad de identificar la producción de agentes contaminantes de CO2, CO y NOx; teniendo presente la curva de calentamiento y fusión del material en la fase pseudo estacionaria de operación. En la configuración del coflujo se evalúan diferentes proporciones que varían desde 0 a 100% vol.- H2 con incrementos de 25% en función de la temperatura del comburente, cuyos valores parten desde los 25°C hasta los 400°C para una potencia térmica de 0.8 kW. En cuanto a la morfología de llama obtenida en el coflujo, los resultados indican que conforme se precalienta el comburente existe una tendencia que sugiere un decaimiento en la altura de llama hasta (200°C) para las mezclas con gas natural, y posteriormente, un incremento en la altura de llama que se ve afectada por la formación de hollín. Contrariamente, una vez se obtiene una llama completamente de hidrógeno, esta presenta un comportamiento lineal con la temperatura del comburente. También se encontró que la fracción libre de hollín aumenta con la adición de hidrógeno y disminuye con el incremento de la temperatura del aire de combustión. Adicionalmente, el precalentamiento del comburente produce llamas más anchas, caso contrario que se obtiene con la adición de hidrógeno, fenómeno que se atribuye al impulso requerido para suplir la misma potencia de operación. Respecto al diagnóstico del horno de crisol y sus regeneradores de calor; se encontró que para mezclas ultra pobres (factor de aireación de 2 aprox.), la operabilidad y la caída de presión de los regeneradores no se ven afectadas por los productos de la combustión, más aún, numéricamente se encontró que conforme se adiciona hidrógeno para mezclas con menor exceso de aire y mayor flujo de productos de combustión, los regeneradores de calor se saturan en tiempos más cortos, lo que implica que los tiempos de ciclaje deban ser modificados. Asimismo, conforme se adiciona hidrógeno en el horno a presión manométrica constante, existe un decaimiento en la potencia por la relación de los índices de Wobbe, incluso, al reducir la potencia de operación del gas natural, la curva de calentamiento del crisol no se ve afectada por la adición del hidrógeno, pero este sí contribuye con la disminución de la formación de CO lo que involucra un incremento en la eficiencia de combustión de hasta 0.1% y de la eficiencia global de hasta 1% aproximadamente. También, la producción de CO2 se acerca al valor ideal para los casos con hidrógeno, lo que indica que mejora la combustibilidad de la mezcla gaseosa, y disminuyen entre 3 y 8 toneladas de CO2 respecto al valor ideal obtenido con gas natural por TJ de energía consumido. Del mismo modo, se encontró que el contorno de temperatura no se ve afectado con la adición de hidrógeno dados los altos flujos de aire de combustión que enfrían la reacción, y a su vez, generan un efecto dual que minimiza el incremento en la generación NOx, obteniendo 30 ppm de diferencia entre el caso con gas natural y 40% vol.-H2. También, la simulación muestra que conforme se añade hidrógeno la zona de reacción se acorta, lo cual se puede explicar por la disminución en la potencia que implica una presión de descarga constante, además del incremento de la producción de radicales OH. Además, los modelos seleccionados en la sección numérica, captan la fenomenología experimental, exceptuando las especies cuyos ordenes de magnitud se expresan en ppm, como lo es el CO y NOx. Finalmente, se encontró que una mezcla con 40% vol.- H2 presentó una formación nula de CO, lo cual sugiere que dicha proporción es un punto recomendado de operación en el horno, encontrándose mayor eficiencia global respecto a los demás casos de estudio.

ABSTRACT : Given the energy transition that is being traced in the last decade seeking a decrease in emissions of pollutants in future technologies, the study of hydrogen combustion is one of the most viable alternatives due to the zero CO2 emissions and the combustion qualities. Based on this, the present work contributes to the state of the art of hydrogen combustion by means of the numerical and experimental study of hydrogen combustion when it is mixed with natural gas, in a selfregenerative crucible furnace to supply a power of 90 kW (based on the lower calorific value), analyzing the fluid dynamics and heat transfer of the furnace and regenerators, the stability of combustion and emissions; depending on the proportion of hydrogen in the mixture at subatmospheric pressure conditions: 85 kPa. In the present project two experiments are developed to evaluate the performance of the furnace: operational analysis of the crucible furnace and its regenerators with enriched hydrogen; morphological study of a non-premixed flame in co-flow when preheating the comburent under different proportions of hydrogen-natural gas. The mixtures evaluated in the crucible furnace cover proportions of 0, 20 and 40% vol.-H2 in each experiment, with the purpose of identifying the fraction of CO2, CO, and NOx pollutants; bearing in mind the heating and melting curve of the material in the pseudo stationary phase of operation. In the co-flow configuration, different proportions are evaluated, varying from 0 to 100% vol.-H2 with increments of 25% depending on the temperature of the comburent, whose values start from 25°C to 400°C for a thermal power of 0.8 kW. Regarding the flame morphology obtained in the co-flow, the results indicate that as the oxidizer is preheated, there is a trend that suggests a decay in the flame height up to (200°C) for mixtures with natural gas, and subsequently, an increase in the flame height that is affected by the formation of soot. Conversely, once an entire hydrogen flame is obtained, it shows a linear behavior with the temperature of the comburent. It was also found that the soot free fraction increases with the addition of hydrogen and decreases with increasing combustion air temperature. Additionally, the preheating of the comburent produces wider flames, contrary to the case obtained with the addition of hydrogen, a phenomenon that is attributed to the impulse required to supply the same operating power. Regarding the diagnosis of the crucible furnace and its heat regenerators, it was found that for ultra-lean mixtures (excess air of approximately 2), the operability and pressure drop of the regenerators are not affected by the combustion products; moreover, numerically it was found that as hydrogen is added for mixtures with less excess air and greater flow of combustion products, the heat regenerators become saturated in shorter times, which implies that the cycling times must be modified. Also, as hydrogen is added to the furnace at constant gauge pressure, there is a decay in thermal power due to the ratio of the Wobbe indexes, even when reducing the operating power of natural gas, the heating curve of the crucible is not affected by the addition of hydrogen, but this does contribute to the decrease in CO formation, which involves an increase in combustion efficiency of up to 0.1% and overall efficiency of up to 1% approximately. Also, CO2 production is close to the ideal value for the cases with hydrogen, which indicates that the combustibility of the gas mixture is improved, and between 3 and 8 tons of CO2 are reduced with respect to the ideal value obtained with natural gas per TJ of energy consumed. Similarly, there is a high flow of combustion air that cools the reaction and, in turn, generates a dual effect that minimizes the increase in NOx generation, obtaining 30 ppm of difference between the case with natural gas and 40% vol.-H2. Also, the simulation shows that as hydrogen is added the reaction zone shortens, which can be explained by the decrease in thermal power implied by a constant discharge pressure, in addition to the increase in the production of OH radicals. Furthermore, the models selected in the numerical section capture the experimental phenomenology, except for the species whose orders of magnitude are expressed in ppm, such as CO and NOx. Finally, it was found that a mixture with 40% vol.- H2 presented zero CO formation, which suggests that this proportion is an adequate operating point in the furnace, finding higher overall efficiency with respect to the other cases of study.