Estudio numérico y experimental del uso de mezclas gas natural e hidrógeno en un sistema de combustión de premezcla y transferencia de calor por radiación infrarroja

Abstract

RESUMEN : En el marco de la transición energética que en los últimos años se viene llevando a cabo a nivel mundial, se ha buscado principalmente la disminución de emisiones contaminantes causantes del efecto invernadero y del aumento general de la temperatura del globo. Para abordar este frente desde las ciencias térmicas y la transformación de energía se puede hablar de dos formas posibles para lograr este fin, la implementación de tecnologías y procesos de transformación más eficientes y el uso de combustibles renovables en lugar de los combustibles fósiles. Uno de los principales actores causantes de la emisión de gases contaminantes y de consumo de recursos es el sector industrial, por lo que impactar positivamente en sus procesos favorece a los objetivos de descarbonización. En algunos procesos industriales existe necesidad de sistemas de calentamiento indirecto, estos sistemas tienen como característica que los gases de combustión no entran en contacto con la carga que se desea calentar, además en estos sistemas el mecanismo de transferencia de calor dominante es la radiación, por lo anterior, estos sistemas de calentamiento se usan en procesos que requieran distribuciones de temperatura uniformes y que brinden alta eficiencia en la transferencia de calor. Considerando lo anterior, en este estudio se plantea el análisis del desempeño de un sistema integrado en el que un quemador de aire inductor con llama de premezcla total, el cual es un sistema de combustión premezclado en el que el aire suministrado por un ventilador arrastra el combustible, descarga los gases de combustión en un tubo radiante de carburo de silicio con recirculación interna, con el objetivo de calentarlo y transferir calor mediante radiación infrarroja. Como combustible se usan mezclas de gas natural e hidrógeno en distintas proporciones volumétricas, de 0% a 100% H2 y dos potencias distintas, 10 y 20 kW. Esto se justifica en el hecho de que el hidrógeno ha demostrado ser un combustible más limpio, ya que su combustión no genera emisiones de CO2 y además puede ser obtenido de manera renovable; en cuanto al uso del tubo radiante de carburo de silicio como medio para transferir calor de manera indirecta, se justifica por la geometría y las características radiantes del material. Ambos temas han sido ampliamente trabajados dentro del grupo de investigación de ciencia y tecnología del gas y uso racional de la energía GASURE, sin embrago no se había estudiado el acoplamiento entre el sistema de premezcla y el tubo radiante en el IR, tampoco la operación de este tipo de sistemas con mezcla gas natural e hidrogeno e hidrógeno al 100 %. Las sesiones experimentales se llevaron a cabo en el laboratorio de combustión del grupo GASURE en la Universidad de Antioquia - Medellín. El sistema de combustión premezclada demostró ser altamente versátil, con un adecuado funcionamiento en todo el rango de composición de las mezclas, solo requiriendo el cambio de la cabeza del quemador para los más altos contenidos de hidrógeno para contrarrestar los efectos del cambio de las propiedades de combustión de la mezcla, permitiendo mantener el factor de aireación en 1,1, que es el óptimo para favorecer la transferencia de calor y evitar que el aire en exceso se robe la energía que pretende ser transferida al tubo radiante. La variable respuesta más importante considerada en el tubo radiante es la temperatura superficial ya que este es el factor que domina la transferencia de calor por radiación, esta fue aumentando a medida que se agregaba hidrógeno a las mezclas, aumentado de la misma forma la eficiencia de radiación de 34% a 46% a en 0%H2 y 100% respectivamente, además la adición de hidrógeno también presenta una disminución en los picos de temperatura aumentado el coeficiente de uniformidad térmica del sistema de 0.8 a 0.9, esto debido a las propiedades de los productos de combustión; en cuanto a las variables referentes al quemador, no se presentan altas emisiones de CO, estas se mantienen por debajo de 100ppm y disminuyen a medida que se agrega el H2, y las emisiones de NOx se mantienen por los 10ppm sin aumentar ni variar significativamente al adicionar H2, también, la eficiencia de combustión fue en aumento a medida que se agregaba el hidrógeno, pero siendo mayor está a 10kW que a 20kW con máximos de 69.42% y 63.09% respectivamente a 75% de H2. Las simulaciones numéricas se realizaron en el software Fluent Ansys 2022 R2, se realizó una simulación 3D axisimétrica con dos geometrías distintas, una para bajos contenidos de hidrógeno y otra para altos, se trabajó con dos mallas 1142886 y 1714438 elementos respectivamente, se modelo la fluidodinámica mediante ecuaciones RANS, la turbulencia con el modelo k-ε realizable, la radiación con el modelo de ordenadas discretas (ODM) y para la combustión el mecanismo reaccional DRM-19. Se identificaron los contornos de distribución de temperatura y se apreció el cambio en la morfología de la llama con el cambio de la cabeza, en los contornos de presión se observan los cambios de presión que inducen el mezclado del aire con el gas, también se encontraron los contornos de velocidad y las líneas de flujo, donde se puede observar la recirculación interna en el tubo radiante y el mezclado, encontrando las mayores velocidades en la zona de descarga del gas y en la zona de la llama. Finalmente se encontró que los modelos numéricos seleccionados podrían considerarse adecuados. Finalmente, se encuentra que la intercambiabilidad de combustibles fósiles por combustibles renovables como el hidrógeno verde en procesos de alta temperatura y de calentamiento de alta eficiencia es viable en términos técnicos y operativos, por lo que una vez la producción de hidrógeno es viable y sostenible económicamente puede ser una importante alternativa dentro de la transición energética