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ESTUDIO TEÓRICO Y EXPERIMENTAL DE LA COMBUSTIÓN DE GAS DE SÍNTESIS EN UN QUEMADOR DE LLAMA DE NO PREMEZCLA

TURBULENTA DE ESCALA LABORATORIO

ASTRID YULIANA RAMÍREZ HERNÁNDEZ

Director: Alejandro Molina Ochoa

Trabajo presentado como requisito parcial para optar al título de Ingeniera Química

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA FACULTAD DE MINAS

ESCUELA DE PROCESOS Y ENERGÍA MEDELLÍN

2009

AGRADECIMIENTOS Al profesor Alejandro Molina Ochoa por su dedicación, comprensión e importantes aportes para el desarrollo de este trajo A la empresa Cementos Argos S.A. por el financiamiento del proyecto y por el apoyo recibido Al grupo de investigación Bioprocesos y Flujos Reactivos por sus sugerencias. Al profesor Farid Chejne por los aportes y colaboración durante el desarrollo del trabajo. Agradecimientos especiales para el estudiante de maestría Carlos Gómez por su paciencia, apoyo incondicional, entrega y, sobretodo, compromiso sin el que no hubiese sido posible la realización de este trabajo.

CONTENIDO Pág.

1. INTRODUCCIÓN 7 2. ESTUDIO EXPERIMENTAL 10

3.1 MONTAJE EXPERIMENTAL 10 3.2 SISTEMA DE SEGURIDAD DEL MONTAJE EXPERIMENTAL 12

3.3 CONTROL DE FLUJO 12

3.4 QUEMADOR DE GAS DE SINTESIS 14

3. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 16 3.1 LONGITUD DE LLAMA VISIBLE 16 3.2 RADIACIÓN 17

3.3 EXTINCIÓN 18

3.4 EMISIONES 19 3.4 TEMPERATURA 20

4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 21 3.1 LONGITUD DE LLAMA VISIBLE 21 3.2 RADIACIÓN 23

3.3 EXTINCIÓN 25

3.4 EMISIONES 29 3.4 TEMPERATURA 30

5. CONCLUSIONES 35 BIBLIOGRAFÍA 36

ANEXOS

LISTA DE TABLAS

Pág. Tabla 1. Composiciones típicas de gas de síntesis obtenida mediante 7 distintos procesos de gasificación de carbón Williams et al. [1]

Tabla 2. Composiciones de las llamas de gas de síntesis 10

Tabla 3. Composiciones y flujos de gas de síntesis evaluados para hallar el valor del extinción de la llama típica. 18

Tabla 4. Límites de concentración del analizador de gases 19

Tabla 5. Dimensiones de longitud y ancho de las llamas 22

Tabla 6. Flux de calor, ∆HC, y flujo del combustible de las seis llamas de gas de síntesis estudiadas 24

Tabla 7. Fracción radiante calculada para cada una de las seis llamas estudiadas 24

Tabla 8. Valores de las variables necesarias para evaluar el valor del extinción de la llama característica 27

Tabla 9. Fracción molar de CO2, CO, NOX y O2 obtenidos con el analizador de gases 29

Tabla 10 Índice de emisiones de CO2, CO, NOX 30

Tabla 11. Temperatura máxima a lo largo del eje axial de la llama 34

LISTA DE FIGURAS

Pág.

Figura 1. Esquema del montaje experimental para evaluar la combustión de gas de síntesis a escala laboratorio 11

Figura 2. Curva de calibración para CO2 y aire para el OFC de diámetro de 0.4mm 13

Figura 3. Curva de calibración para H2 para el OFC de diámetro de 0.4mm 14

Figura 4. Curva de calibración para CO para el OFC de diámetro de 0.4mm 14

Figura 5. Esquema tridimensional del quemador 15

Figura 6. Vista superior del quemador 15

Figura 7. Vista frontal y lateral del quemador 16

Figura 8. Posicionamiento correcto del radiómetro según el método de Sivathanu y Gore [3] 17

Figura 9. Esquema del montaje para la medición y procesamiento de datos de concentración de gases de combustión 20

Figura 10. Esquema del montaje para la medición de temperatura 21

Figura 11. Fotografías de las tres primeras llamas: a.35% H2, b. 60.7% H2, c. 64%H2 21

Figura 12. Fotografías de la llama cuatro, cinco y seis: a.70.8% H2, b. 75% H2, c. 95%H2 22

Figura 13. Comportamiento de la fracción radiante con el aumento del %H2 en la mezcla 25

Figura 14. Velocidad de extinción normalizada contra el número de Reynolds basado en la longitud H. 27

Figura 15. Perfil de temperatura de la llama típica para diferentes planos radiales a lo largo del eje axial de la llama 31

Figura 16. Perfil de temperatura de la llama a. 60.7%H2 y b. 64%H2 para diferentes planos radiales a lo largo del eje axial de la llama 32

Figura 17. Perfil de temperatura de la llama a. 70.8%H2 y b. 75%H2 para diferentes planos radiales a lo largo del eje axial de la llama 33

RESUMEN El gas de síntesis es un combustible producido por la gasificación de carbón ó biomasa y consiste en una mezcla de gases combustibles como hidrógeno, monóxido de carbono y metano, y no combustibles como nitrógeno, dióxido de carbono y vapor de agua. Las altas reservas y el menor costo del carbón comparado con el gas natural motivan la sustitución de gas natural por gas de síntesis producto de la gasificación de carbón. Para estudiar la combustión del gas de síntesis, se construyó un quemador de no premezcla turbulenta de diámetro de 3.2 mm. Se trabajó con un número de Reynolds de 16700, se obtuvieron diferentes composiciones del gas de síntesis variando las relaciones de CO/H2 para una composición constante de 15%molar de CO2 se trabajó también con una llama 95%H2 y 5%molar de CO2. Se realizaron mediciones de radiación térmica, temperatura, emisiones de NOx, CO, CO2, O2, punto de extinción y longitud de llama. Se encontró que el punto de extinción para la llama típica (35%H2, 50%CO) se encuentra en un número de Reynolds cercano a 28000, se construyó el perfil de temperaturas de cada llama, se hallaron los valores de fracción radiante para las llamas estudiadas y finalmente se hallaron los índices de emisiones encontrándose como estos disminuyen a medida que aumenta la concentración de H2 en la llama. Palabras Claves: Quemador de no premezcla turbulenta, Gas de síntesis, fracción Radiante, perfil de temperatura, índice de emisiones, extinción.

ABSTRACT

The Syngas is a fuel which is obtained as a product of coal or biomass gasification. It primarily consists of combustible gases like hydrogen, carbon monoxide, and methane and non-combustible gases like nitrogen, carbon dioxide and water vapor. Abundant reserves and low price of coal compared with natural gas promotes the natural gas substitution by Syngas obtained by coal gasification. In order to study the Syngas combustions was built a turbulent non-premixed jet flame burner with a diameter of 3.2mm. The constant Reynolds number worked was 16700, Different concentrations of Syngas was obtained by variation of CO/H2 ratio with a constant composition of CO2

15%molar and a composition of 95%H2 and 5%CO2 was evaluated. Measurements of flame radiant, temperature, NOx, CO, CO2, O2 emissions, visible flame length and blowout were made in the different Syngas mixtures. The blowout was obtained for the typical Syngas composition (35%H2, 50%CO) near of the Reynolds number of 28000. For each flame was built a temperature profile. Radiant fractions were estimated and finally were calculated the emission indices in which were found that they decreases as the H2 increase. Keywords: turbulent non-premixed jet flame burner, Syngas, flame radiation, temperature profile, emission indices, blowout.

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1. INTRODUCCIÓN El gas de síntesis es un combustible producido por la gasificación de carbón ó biomasa y consiste básicamente en una mezcla de gases combustibles como hidrógeno, monóxido de carbono y metano, y no combustibles como nitrógeno, dióxido de carbono y vapor de agua. Las altas reservas y el menor costo del carbón comparado con el gas natural motivan la sustitución de gas natural por gas de síntesis producto de la gasificación de carbón. Para aumentar el poder calorífico del gas de síntesis, éste se produce durante la gasificación de carbón en oxígeno en vez de aire. La Tabla 1, presentada por Williams et al. [1], muestra composiciones típicas de gas de síntesis obtenidas durante gasificación en oxígeno utilizando distintas técnicas de alimentación del carbón. En la gasificación húmeda el carbón se alimentación en una emulsión, en la gasificación seca se utiliza arrastre mediante nitrógeno. La Tabla 1 muestra también dos composiciones enriquecidas o empobrecidas en hidrógeno, como serían las resultantes de procesos de separación de hidrógeno de gas de síntesis. En la tabla se observa que, a pesar de la gran variabilidad en composición, las mezclas tienen un poder calorífico que oscila entre 8.9 y 10.2 MJ/Nm3, aproximadamente una tercera parte del valor del metano, principal componente del gas natural. Otra ventaja del uso del gas de síntesis es que no produce hollín.

Tabla 1. Composiciones típicas de gas de síntesis obtenidas mediante distintos procesos de gasificación de carbón [1]

Combustible Composición del combustible (%v) H2/CO PCI

(MJ/Nm3)

CH4 H2 CO N2 CO2 Metano 100 32.8 Gas de síntesis -Gasificación húmeda 35 50 1 14 0.7 9.2

-Gasificación seca 28 64 5 3 0.44 10.2 -Gasificación pobre en H2 1 76 2 21 0.013 8.9 -Gasificación rica en H2 95 1 3 1 95 9.5 1 Poder calorífico inferior En esta trabajo se caracterizó la combustión de gas de síntesis mediante la combustión de mezclas de gases comerciales con composición similar a la descrita en la Tabla 1 para gasificación seca y variaciones de esta composición. Se utilizó un quemador a escala de laboratorio similar al descrito por Barlow et al. [2] y que se considera como estándar para el estudio de la combustión de mezclas CO/H2 en régimen turbulento. Se emplearon

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metodologías para la medición de radiación y emisión de contaminantes como las descritas por Sivantanu y Gore [3] y Turns y Myhr [4, 5] ESTADO DEL ARTE Las llamas de gas de síntesis han sido ampliamente estudiadas por diferentes expertos en el tema de combustión. Se ha analizado el desempeño del gas de síntesis en llamas laminares, llamas de difusión y llamas turbulentas. Los estudios han contemplando un amplio rango de concentraciones de los principales constituyentes del gas de síntesis así como diferentes porcentajes de dilución de inertes. En llamas laminares de gas de síntesis se pueden encontrar diversos trabajos que apuntan principalmente a caracterizar emisiones y perfiles de temperatura. En este caso cabe mencionar el estudio realizado por Natarajan et al. [6] quienes estudiaron la velocidad de deflagración de llamas laminares de gas de síntesis en un quemador tipo Bunsen. Los autores compararon las mediciones experimentales con predicciones utilizando diversos mecanismos cinéticos. Con respecto a emisiones y punto de extinción de llamas de gas de síntesis uno de los trabajos más extensos lo realizaron Williams et al. [1] quienes, para diversas composiciones de gas de síntesis, evaluaron las emisiones características y la extinción de la llama concluyendo que el aumento en la cantidad de H2 aumenta la estabilidad de la llama. Tanto en llamas laminares y llamas turbulentas de no premezcla Turns y Myhr [4, 5] han evaluado las emisiones características principalmente de óxidos de nitrógeno, los mecanismos de producción y la relación de éstas con los perfiles de temperatura y radiación de las llama. En estos artículos se han evaluado diferentes composiciones de gas de síntesis con dilución de inertes como CO2 y N2 y con premezcla parcial. Los autores encontraron entre los principales resultados que con la dilución con inertes disminuía la producción de óxidos de nitrógeno para la llama de gas de síntesis, tendencia opuesta a la encontrada para llamas de hidrocarburos con tendencia a la producción de hollín. Estas llamas de gas de síntesis también mostraron menos sensibilidad a la temperatura para la producción de NOX. Otro de los resultados de estas investigaciones fue demostrar que debido al hidrógeno presente en la llamas de no premezcla no era necesario la utilizar pilotos para sostener la llama. Diversos autores han enfocado la investigación reciente hacia la obtención de mecanismos cinéticos que puedan utilizarse en modelos computacionales que describan el proceso de combustión de gas de síntesis (Davis et al. [7]; Frassoldati et al. [8]; Cuoci et al. [9]) y en la evaluación de las emisiones y parámetros radiantes del mismo Williams et al. [1]

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Para la caracterización de las llamas se han encontrado procedimientos experimentales que han sido mencionados por varios autores, entre estos se tiene la obtención de la altura de llama utilizando mediciones de color falso como las descritas por Schefer et al. [10]; Radiación emitida según el método descrito por Sivantharu y Gore [3]; Cuidados diversos y correcciones con la obtención de los perfiles de temperaturas como los mencionados por Shaddix [11]; Emisiones de CO, CO2 y NO según el método de índices de emisiones descrito por Turns y Myhr [4] y [5].

OBJETIVOS Objetivo general Caracterizar la combustión de gas de síntesis en un quemador de llama de no premezcla turbulenta de escala laboratorio Objetivos específicos

• Diseñar y realizar el montaje experimental de un quemador de gas de síntesis a escala de laboratorio.

• Caracterización de la transferencia de calor por radiación que se origina durante la combustión de una llama de no premezcla turbulenta de gas de síntesis

• Caracterizar los perfiles de temperatura de una llama de no premezcla

turbulenta de gas de síntesis.

• Evaluar los índices de emisiones de NOX, CO, CO2 y O2 en una llama de no premezcla turbulenta de gas de síntesis.

• Evaluar el punto de extinción de una llama de no premezcla turbulenta gas de síntesis

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2. ESTUDIO EXPERIMENTAL Para el estudio experimental se decidió trabajar con 6 llamas variando la composición de H2 y CO, dejando la composición del CO2 constante en un valor de 15% volumen, excepto para la llama número 6 en la cual solo se utilizó 5% de CO2. Las siguientes son las composiciones y el orden numérico con las que éstas serán nombradas a lo largo de este trabajo.

Tabla 1. Composiciones de las llamas de gas de síntesis

Composición de los gases (%vol.) Número de la llama CO H2 CO2

1 50 35 15 2 24.3 60.7 15 3 21 64 15 4 14.2 70.8 15 5 10 75 15 6 0 95 5

La llama No. 1 se eligió como llama de referencia pues, como se indicó anteriormente, esta composición es típica de un gas de síntesis producido por gasificación de carbón [1]. Las llamas No. 2 hasta la No. 5 son llamas elegidas después de un análisis previo donde se evaluaron varias relaciones CO/H2 y en el que las composiciones seleccionadas mostraron características deseables en cuanto a cambio de longitud de llama y radiación térmica. La composición de la llama No. 6 fue también estudiada por Turns y Myhr [4] y se seleccionó con el objetivo de conocer las características de una llama de gas de síntesis rica en hidrógeno y sin presencia de monóxido de carbono. Con estas llamas se trabajará con un numero de Reynolds de 16700 (régimen turbulento), excepto en el caso en el que se halló la velocidad de extinción como se explica más adelante. 2.1 MONTAJE EXPERIMENTAL Para la caracterización de la llama de gas de síntesis de no premezcla turbulenta se diseñó un montaje experimental (Figura 1) que consta de tres líneas independientes de hidrógeno, monóxido de carbono y dióxido de carbono para obtener la mezcla deseada. Cada una de estas líneas tiene un sistema para regulación de flujo por medio de un orificio de flujo crítico (OFC) del cual se hará mención más adelante. Las tres líneas confluyen en un mezclador tipo flauta y después de pasar por éste se pasa a un quemador de no premezcla con un diámetro de 3.2 mm. El sistema consta también de una línea de aire que también tiene regulación de flujo.

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Figura 1. Esquema del montaje experimental para evaluar la combustión de gas de síntesis a escala laboratorio. PC se refiere a controladores de presión.

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2

3

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2.2 SISTEMA DE SEGURIDAD DEL MONTAJE EXPERIMENTAL Teniendo en cuenta las características de los gases donde se tiene una línea de hidrógeno caracterizado dentro del código NFPA, en el riesgo de inflamabilidad con la categoría 4 ( de 1 a 4, siendo 4 el más peligroso) como un gas “Extremadamente inflamable, por debajo de 23ºC” y se tiene una línea de CO que de manera similar al hidrógeno es caracterizado dentro del código NFPA, en el riesgo de inflamabilidad con la categoría 4 y dentro del riesgo para la salud es caracterizado como categoría 3 (de 1 a 4, siendo 4 el más peligroso) que significa “Extremadamente peligroso” se establecieron varias medidas de seguridad que se mencionan a continuación:

• Se separaron la ubicación de las pipetas de gas y el quemador en dos cuartos diferentes. Las pipetas de gas se ubicaron en un cuarto por fuera del laboratorio dotado de buen sistema de ventilación como se indica en la Figura 1 donde la parte del sistema que se ubicó en el cuarto de afuera del laboratorio se marca por un recuadro.

• Se instalaron alarmas de CO y de humos cerca al quemador.

• Se instaló una campa de extracción en la parte superior del quemador con el objetivo de evacuar los gases de combustión fuera del laboratorio.

• Se instaló un sistema de válvulas eléctricas ubicadas en el cuarto exterior al laboratorio que se activaban desde el laboratorio cerca al quemador con el cual, si se presentaba un problema, se corta el flujo de gases desde el cuarto exterior hacia el laboratorio.

2.3 CONTROL DE FLUJO El control de flujo se realizó con orificios de flujo crítico (OFC) los cuales son dispositivos que fijan el flujo de un fluido .Los OFCs operan haciendo uso del principio de orificio sónico, donde el flujo crítico se obtiene cuando la velocidad del gas a través del OFC alcanza la velocidad del sonido (se convierte en flujo sónico) y permanece constante. Cualquier variaciones en el flujo a través del OFC se evita siempre y cuando el flujo a través del OFC permanzca en el rango del flujo sónico. El flujo por el OFC es proporcional a la razón de la presión estática absoluta a la entrada del orificio y la temperatura ambiente. Para un orificio dado, existe una mínima razón de presión a temperatura sobre la cual el flujo del gas a través del orificio ya no es suficiente para que se presente este fenómeno del flujo crítico por lo que se fija para una temperatura

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ambiente un rango de presiones sobre el cual trabajar de manera que se garantice que se está trabajando bajo las condiciones de un flujo sónico. En este trabajo de grado se construyeron seis OFCs con diámetros de 0.4 mm, 0.5 mm, 0.6 mm, 0.7 mm, 1.0 mm y 1.4 mm. Éstos se calibraron con un medidor de flujo de gas seco tipo tambor, siendo requerido después hacer la calibración con aire la conversión correspondiente a flujo de CO, CO2 y H2. La ubicación de los OFC´s se muestran en el montaje experimental donde se señalaron con números 1, 2 y 3 (ver Figura 1). Estos orificios están ubicados después de un regulador de presión de alta precisión que permite tener un control preciso de la presión y por ende del flujo. Después de que el flujo se fija al pasar por estos orificios pasa a mezclarse en el mezclador tipo flauta y luego al quemador. Después de la calibración realizada y la conversión de flujo de aire a flujo del gas correspondiente se realizó una regresión lineal con los datos de los seis OFC´s construidos y el coeficiente de regresión siempre estuvo por encima de 0.99 mostrando una buena aproximación de los datos a un modelo lineal. Como ejemplo de las gráficas construidas se muestra a continuación para el OFC de diámetro de 0.4 mm. Las calibraciones para los demás orificios se incluyen en el apéndice.

Figura 2. Curva de calibración para CO2 y aire para el OFC de diámetro de 0.4 mm. El flujo de gas es a condiciones estándar (298 K, 101325 Pa)

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Figura 3. Curva de calibración para H2 para el OFC de diámetro de 0.4 mm. El flujo de gas es a condiciones estándar (298 K, 101325 Pa)

Figura 4. Curva de calibración para CO para el OFC de diámetro de 0.4mm. El flujo de gas es a condiciones estándar (298 K, 101325 Pa)

2.4 QUEMADOR DE GAS DE SÍNTESIS El quemador utilizado se muestra en la Figura 5. El diseño de éste es similar al utilizado por Barlow et al. [2] y consiste en un quemador de acero inoxidable de

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200 mm de largo y dos tubos coanulares independientes como se observa en las figuras 5 a 7. El tubo interior es de 3.2 mm con una entrada de combustible en la parte inferior y el tubo exterior es de 21 mm diseñado con cuatro entradas de aire las cuales se encuentran distribuidas equidistantes a lo largo de su diámetro. Estas entradas son de 6.35 mm como se puede apreciar en la Figura 6. La longitud del tubo garantiza condiciones de flujo completamente desarrolladas ya que se cumple la condición sugerida por Barlow et al. [2] donde se menciona que para un cumplir con condiciones de flujo completamente desarrollado la razón entre la longitud del tubo y el diámetro del quemador debe ser superior a 50 para el caso de este quemador esta razón es de 62.5.

Figura 5. Esquema tridimensional del quemador. La Figura 7 muestra las dimensiones en detalle.

Figura 6. Vista superior del quemador. La Figura 7 muestra las dimensiones en detalle

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Figura 7. Vista frontal y lateral del quemador. Dimensiones en mm.

3. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Se siguió un procedimiento experimental para encontrar la longitud de llama visible, la radiación, el límite de extinción, las emisiones y la temperatura. A continuación se describen cada uno de estos procedimientos. 3.1 LONGITUD DE LLAMA VISIBLE La determinación se hizo mediante la toma de imágenes. Se usó una cámara SONY DSC-T200 con un sensor de imagen tipo CCD SuperHad y con una velocidad de obturación de 1s y se programaron tomas en ráfagas de hasta 150. Después de la toma consecutiva de estas imágenes se desarrolló un

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código en Matlab para procesar imágenes y obtener el valor de la longitud de llama. 3.2 RADIACIÓN Para la obtención de datos de radiación se utilizó un radiómetro Vatell 9000. El radiómetro tiene un campo de visión de 120º y mide diferencia de potencial que por medio una tabla de calibración se convierte a flux de calor de 0 a 50Watts/cm2. Este radiómetro se expone a la llama como se describe a continuación, por un periodo de tiempo en el cual el valor de la diferencia de potencial marcada por el multímetro permanezca invariante. Para que el equipo no sufra un aumento de temperatura, éste permaneció constantemente enfriado por agua. El radiómetro se posicionó frente a la llama de acuerdo ala recomendación e Sivathanu y Gore [3] como se muestra en la Figura 8. Figura 8. Posicionamiento recomendado para el radiómetro según el método de Sivathanu y Gore [3]. R: distancia radial desde el centro del quemador al radiómetro, X distancia axial desde la base del quemador al radiómetro y LF: Longitud de llama visible.

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3.3 EXTINCIÓN En esta sección se buscó encontrar el flujo de gas de síntesis en el cual se lograba la extinción de la llama de referencia (Llama No. 1 en la Tabla 3). En el montaje experimental desarrollado en este trabajo no es posible garantizar una variación en el flujo sin una variación en la composición. Por lo tanto fue necesario aumentar el flujo (y por ende Re), manteniendo la composición del gas lo más cercana a la composición de la llama No. 1. De esta forma se alternaban los gases para realizar un aumento hasta lograr la extinción. La Tabla 3 presenta las diferentes composiciones analizadas.

Tabla 2. Composiciones y flujos de gas de síntesis evaluados para hallar el valor del extinción de la llama de referencia (No. 1). La última fila corresponde a

la condición en la cual se registró la extinción de la llama

CONCEPTO GASES H2 CO CO2 Re Composición 1 39,000 45,000 16,000 Flujo 1 (m3/h) 1,2103 1,3965 0,4965 17936 Composición 2 35,45 50,00 14,55 Flujo 2 (m3/h) 1,2103 1,7068 0,4965 20227 Composición 3 38 48,03 13,97 Flujo 3 (m3/h) 1,35045 1,7068 0,4965 20342 Composición 4 36,22 45,78 18,00 Flujo 4 (m3/h) 1,3504 1,7068 0,67 22658 Composición 5 34,07 49 16,93 Flujo 5 (m3/h) 1,35 1,9423 0,6711 24396 Composición 6 36 47,57 16,43 Flujo 6 (m3/h) 1,4700 1,9423 0,6711 24495 Composición 7 35,33 46,67 18 Flujo 7 (m3/h) 1,4700 1,9423 0,74904 25537 Composición 8 33,12 50,00 16,88 Flujo 8 (m3/h) 1,4700 2,22 0,75 27577 Composición 9 34 49,34 16,66 Flujo 9 (m3/h) 1,5290 2,22 0,75 27611 Composición 10 33,56 50,00 16,44 Flujo 10 (m3/h) 1,5290 2,28 0,75 28060

Composición 11 35,0000 48,92 16,08 Flujo 11 (m3/h) 1,6300 2,28 0,75 28145

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3.4 EMISIONES Para la medición de datos de emisiones de la llama de gas de síntesis fue utilizado un analizador de gases NDIR para CO, CO2, de quimioluminiscencia para NOx y de zirconio para O2, A pesar de que el equipo presenta la posibilidad de medir SO2, estos datos no se tendrán presentes ya que la mezcla de gas de síntesis no tiene fuentes de azufre o de SO2 y por ende estas mediciones se consideran irrelevantes. .

Tabla 3. Límites de concentración del analizador de gases

Límite inferior Límite superior NOx (ppm) 0 2500 SO2 (ppm) 0 3000 CO (ppm) 0 5000 CO2 (%vol) 0 20 O2 (%vol) 0 25

Los gases de combustión fueron capturados mediante una sonda de acero inoxidable, no enfriada, de 15 cm de longitud y 4 mm de diámetro interior que después pasa a una manguera de plástico de aproximadamente 100 cm de longitud y 0.4 mm de diámetro interno hasta el analizador de gases. La sonda se ubicó a 30cm de la punta de la llama y se tomaron datos por períodos de 40 minutos. Este montaje es similar al realizado por Turns y Myhr [4]. Dado que ni la sonda ni la manguera presentaban enfriamiento, se espera que en ésta sucedan algunas reacciones secundarias [11], por lo tanto los resultados de concentraciones se deben considerar solo como indicativos de tendencias, particularmente para CO y NOx. Los datos se procesaron con un sistema de adquisición de datos de National InstrumentsTM. El montaje descrito se muestra en la Figura 9.

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Figura 9. Esquema del montaje para la medición y procesamiento de datos de concentración de gases de combustión

3.5 TEMPERATURA Las mediciones de perfiles de temperatura se realizaron con una termocupla tipo R, cuyo rango de temperatura es (0-1400) ºC. Esta termocupla contaba con un recubrimiento en alúmina para disminuir los errores en la medición causados por radiación y convección [11]. Se empleó un sistema de posicionamiento fino que permitía control de la posición de la termocupla con una precisión de hasta 0.01 mm. Las mediciones de potencial fueron registradas en un multímetro que posteriormente, por una curva de calibración, fueron traducidas en valores de temperatura. El sistema se presenta en la Figura 10.

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Figura 10. Esquema del montaje para la medición de temperatura

4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 4.1 LONGITUD DE LLAMA A continuación se presentan las graficas de las seis llamas estudiadas en el orden desde la llama uno hasta la llama seis. Estas fotos corresponden a la superposición de las 150 fotos que se tomaron para cada llama.

Figura 11. Fotografías utilizadas para medir la longitud de la llama: a. 35% H2

(llama No. 1), b. 60.7% H2 (llama No. 2), c. 64%H2 (llama No. 3)

a b c

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Figura 12. Fotografías utilizadas para medir la longitud de la llama: a.70.8% H2

(llama No. 4), b. 75% H2 (llama No. 5), c. 95%H2 (llama No. 6)

A continuación se presentan los datos obtenidos después del procesamiento de las imágenes en Matlab

Tabla 4. Dimensiones de longitud y ancho de las llamas

Llama Longitud Ancho 1 26,04 4,23 2 26.10 4,42 3 31,46 5,71 4 32,98 5,52 5 34,93 5,43 6 46,45 7,39

Para una cantidad de combustible constante y un número de Reynolds invariante se esperaría que al aumentar el contenido de hidrógeno en la llama, decrezca la longitud de la misma ya que con el contenido de hidrógeno incrementa la cantidad de radicales H, O, OH aumentando la velocidad de la combustión del gas de síntesis. Como efecto global, la composición del

a b c

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combustible con las más altas cantidades de hidrógeno se quema más rápido, reduciendo el tiempo de residencia y por lo tanto la longitud de la llama visible. Así el combustible viaja una distancia más corta antes de la combustión, lo cual acorta la longitud de la llama visible. En el caso de las llamas estudiadas se tiene que un incremento en la cantidad de hidrógeno aumenta la longitud de la llama visible y esto se debe básicamente a que para conservar un numero de Reynolds constante, a medida que se aumentaba la cantidad de hidrógeno si se conservaba el flujo contante en la mezcla se disminuía el numero de Reynolds debido a la menor densidad del H2. De esta forma, un aumento en el flujo total gas a través del quemador implica un aumento en la longitud de llama, a pesar del aumento en la concentración de hidrógeno. 4.2 RADIACIÓN TÉRMICA La importancia del estudio de la radiación térmica en este proyecto radica en que la radiación de los gases puede ser un importante medio de transferencia de calor en hornos, incluso en condiciones de no producción de hollín, como cuando se quema gas de síntesis. Considerando una potencial sustitución de combustibles como el carbón por gas de síntesis y dado que la emisión radiante del gas de síntesis es menor que la del carbón, en este trabajo se evaluó la emisión radiante obtenida por las diferentes mezclas de gas de síntesis. La radiación térmica afecta la estructura y características de combustión de hidrocarburos y compuestos, así como la formación de NO, debido a la sensibilidad de la cinética de producción de NO a la temperatura. Para medir la radiación térmica se utiliza frecuentemente el término fracción radiante. Este término representa la razón del calor transferido por radiación desde la llama a los alrededores sobre el calor total por combustión. La fracción radiante como la presentan Turns y Myhr [4, 5] se representa por la ecuación (1)

(1)

Donde

Flujo de calor radiante. Flujo másico del combustible. Es el calor de combustión.

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La siguiente tabla muestra los datos de flux de calor radiante que mide el radiómetro en un solo punto para las diferentes llamas estudiadas.

Tabla 5. Flux de calor, ∆HC, y flujo del combustible de las seis llamas de gas de síntesis estudiadas

Llama Flux de calor por radiación (W/m2)

∆HC (kJ/kg)

mc (kg/h) Flujo (m3/h)

1 2000 11333 2,044 2,793 2 2500 16558 1,927 3,835 3 3000 17596 1,901 4,021 4 2000 20213 1,838 4,459 5 4000 22235 1,789 4,775 6 5000 65979 1,357 9,602

De donde para las llamas estudiadas, utilizando la ecuación (1) se tiene los siguientes resultados de fracción radiante:

Tabla 6. Fracción radiante calculada para cada una de las seis llamas estudiadas

Llama xR

1 3,93×10-05 2 3,56×10-05 3 4,08×10-05 4 2,45×10-05 5 4,57×10-05 6 2,54×10-05

En la Figura 13 se muestra la variación de la fracción radiante con la cantidad de hidrógeno de la muestra. La tendencia, al menos hasta una concentración de hidrógeno de 80%, coincide con un aumento en la concentración de agua en los gases de combustión. La emisión de radiación molecular por parte del agua es mayor que la del hidrógeno y puede explica el aumento en la fracción radiante al aumentar la concentración de hidrógeno en el gas de síntesis. El dato para 95% hidrógeno es inusual y puede estar influenciado por dificultades en la medición de la radiación emitida.

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Figura 13. Comportamiento de la fracción radiante con el aumento del %H2 en la mezcla

4.3 EXTINCIÓN El fenómeno de extinción debe entenderse en conjunto con el fenómeno de liftoff (o desprendimiento de llama) el cual se presenta anteriormente a que se presente la extinción. Durante liftoff, la llama se desprende del quemador si la velocidad de suministro de combustible es lo suficientemente alta. La distancia de liftoff es la distancia ente la base del quemador y la base de la llama, la cual puede incrementarse con incrementos posteriores en el flujo de combustible hasta que se llega a un punto donde esta distancia no se sigue incrementando y la llama se extingue (Extinción) La extinción puede ser interpretada en términos de las llamas de premezcla turbulentas. En la teoría más reconocida se asume que la base de la llama separada (lifted flame) es una llama de premezcla. En esta base, la velocidad de llama turbulenta, St, será igual a la velocidad de flujo local, U. Si la velocidad de flujo a través del quemador se incrementa, U se incrementara y la base de la llama puede separarse más del quemador a una nueva posición donde otra vez St, será igual a la velocidad de flujo local, U. La llama por lo tanto podría apagarse (extinción) cuando los cambios en la velocidad de quemado, St, no puede equipararse en ningún punto con el cambio en U. La longitud característica, H, es la distancia a lo largo del eje axial del quemador donde la concentración media del combustible cae a su valor estequiométrico y puede ser estimada según la ecuación presentada por Wu et

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al. [12] como modificación de la ecuación original de Kalghatgi [13] para llamas que presentan algún grado de dilución de un inerte.

(2) Kalghatgi [14] propone la siguiente correlación para estimar el flujo de extinción. Esta ecuación corresponde a la velocidad de extinción normalizada.

(3) Teniendo como SL,max es la máxima velocidad laminar de la llama y donde RH es el número de Reynolds basado en la longitud característica H mencionada anteriormente. Este número de Reynolds se puede estimar de la siguiente manera:

(4) La siguiente figura muestra la aplicabilidad de la ecuación para un amplio rango de combustibles. Para un tipo de combustible fijado, la velocidad de extinción incrementa con el diámetro del quemador

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Figura 14.Velocidad de extinción normalizada contra el número de Reynolds basado en la longitud H. Los datos para aplicar las ecuaciones 2, 3 y 4 son fueron hallados con el programa computacional GasEq y se presentan en la Tabla 8

Tabla 7. Valores de las variables necesarias para evaluar el valor del extinción de la llama característica

Concepto Valor YF,e 1 YF,stoic 0,270 ρ∞ Kg/m3 1,017 ρe Kg/m3 0,748 Diámetro (m) 0,003 µe (Kg/m/s) 1.66E-05

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De donde se obtiene que la longitud a lo largo del eje axial del quemador en el que la concentración media del combustible caiga a su valor estequiométrico es:

El valor de la velocidad de llama laminar mencionada anteriormente se encuentra por valores experimentales. Para esto se trabajó con una base de datos para llamas de gas de síntesis laminar con una dilución de CO2. El dato se encontró del trabajo de Natarajan et al. [6]. Se debe notar que en el trabajo de Natarajan et al. [6] se utilizó un porcentaje de dilución de un 20% de CO2 y en este trabajo este valor es del 16.08%. Según Natarajan et al. [6] el valor de la velocidad de llama laminar es de 0.425m/s. Reemplazando esto en la ecuación 4 se obtiene:

Usando la ecuación 3, se evaluó:

Por último se encuentra la velocidad de extinción:

En este trabajo se identificó el valor en el que la llama típica se extingue con el objetivo de conocer los valores en los que se puede tener una llama estable ya que este es un parámetro fundamental en el diseño de cualquier dispositivo que utilice llamas de gas de síntesis.

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4.4 EMISIONES Para la llama de gas de síntesis se realizaron mediciones de CO, CO2, NOX y O2 y se realiza una normalización de estos datos por medio de índices de emisiones como los mostrados por Turns y Myhr [4] por la siguiente ecuación

(5) Donde Xi es la fracción molar de la especie i, y es la razón molar de (H/C) en el combustible. En este caso se presenta el ejemplo para el NOX donde se utiliza el peso molecular de NOx para evitar la ambigüedad entre NO2 y NO. Los datos promedios de media hora de medición en el analizador de gases se presentan a continuación Para el tiempo de medición y para los puntos utilizados se obtuvo un promedio ponderado para los cuatro gases analizados, los resultados obtenidos se presentan a continuación

Tabla 8. Fracción molar de CO2, CO, NOX y O2 obtenidos con el analizador de gases

Llama Fracción molar CO2 CO NOX O2 1 2,20E-03 6,30E-06 6,10E-07 0,212 2 1,80E-03 1,05E-05 6,15E-07 0,211 3 1,60E-03 6,40E-06 6,25E-07 0,210 4 1,10E-03 2,80E-06 6,23E-07 0,212 5 9,80E-04 2,30E-06 6,52E-07 0,212 El calculo del índice de emisiones según la ecuación 5 tiene en cuenta que se trata de un combustible donde todo el carbono del combustible forma CO2. En este caso al tener un combustible que tiene H2 se realizó un calculo con el objetivo de obtener las emisiones en las mismas unidades. Para esto simplemente se realizó un cálculo de las moles de CO2 presentes después de la combustión del CO y las moles de CO2 presentes desde el comienzo por el porcentaje presente en el combustible. Este cálculo arrojó como resultado los índices de emisiones presentados en la Tabla 10.

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Tabla 9. Índice de emisiones de CO2, CO, NOX

Llama Índice de emisiones (g del gas respectivo/Kg de combustible)

CO2 CO NOx 1 13,420 0,024 0,0039 2 11,818 0,044 0,0042 3 11,500 0,029 0,0047 4 10,701 0,017 0,0063 5 10,078 0,015 0,0070

Como se puede observar en la Tabla 9 la concentración de O2 es cercana a la del aire debido a que se ubicó la sonda en un lugar alejado de la llama, según lo recomienda Turns y Myhr [4] para la realización correcta del cálculo del índice de emisiones. En la Tabla 10 se observa que los índices de emisiones del CO2 y CO disminuyen a medida que disminuye la concentración de CO en la mezcla como era de esperarse dado el aumento en la concentración hidrógeno. La baja concentración de óxido de nitrógeno difunta el análisis del índice de emisión de esta especie. A la llama No. 6 no se le realizaron mediciones de emisiones debido a que el tamaño de la llama no permitía tomar mediciones confiables y seguras de las emisiones. 4.5 TEMPERATURA A continuación se presentan los perfiles de temperatura hallados para las primeras cinco llamas. Estos son perfiles radiales a diferentes puntos a lo largo del eje axial de la llama.

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Figura 15. Perfil de temperatura de la llama de referencia para diferentes planos radiales a lo largo del eje axial de la llama

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Figura 16. Perfil de temperatura de la llama a. 60.7%H2 (llama No. 2) y b. 64%H2 (llama No. 3) para diferentes planos radiales a lo largo del eje axial de la llama

a b

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Figura 17. Perfil de temperatura de la llama a. 70.8%H2 (llama No. 4) y b. 75%H2 (llama No. 5) para diferentes planos radiales a lo largo del eje axial de la llama

a b

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La llama numero 6 no se evaluó por el método de temperaturas debido a que para esta llama por su tamaño no resulto posible utilizar el montaje que se tenía con la termocupla para tomar los datos.

Tabla 10. Temperatura máxima a lo largo del eje axial de la llama

Llama Temperatura máxima(ºC)

1 1160 2 1170 3 1150 4 1130 5 1140

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5. CONCLUSIONES La caracterización de la llama de gas de síntesis mostró que la longitud de la llama aumenta y la radiación térmica también aumenta a medida que aumenta el contenido de H2 en la misma por el hecho de que para mantener un número de Reynolds constante se aumenta el flujo de combustible. El punto de extinción para la llama típica (35%H2, 50%CO) se encuentra en un número de Reynolds cercano a 28000. Los índices de emisiones mostraron el comportamiento esperados para estos, ya que a medida que disminuye la cantidad de CO de la mezcla.

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LISTA DE ANEXOS

ANEXOS 1. CALIBRACIÓN DE LOS OFC´s

ANEXOS 1. CALIBRACIÓN DE LOS OFC´s

Figura A1. 1 Curva de calibración para CO2 y aire para el OFC de diámetro de 0.5 mm. El flujo de gas es a condiciones estándar (298 K, 101325 Pa)

Figura A1. 2 Curva de calibración para H2 para el OFC de diámetro de 0.5 mm. El flujo de gas es a condiciones estándar (298 K, 101325 Pa)

Figura A1. 3 Curva de calibración para CO para el OFC de diámetro de 0.5mm. El flujo de gas es a condiciones estándar (298 K, 101325 Pa)



Figura A1. 10 Curva de calibración para CO2 y aire para el OFC de diámetro de 1.0mm. El flujo de gas es a condiciones estándar (298 K, 101325 Pa)

Figura A1. 11 Curva de calibración para H2 para el OFC de diámetro de 1.0mm. El flujo de gas es a condiciones estándar (298 K, 101325 Pa)


Figura A1. 13 Curva de calibración para CO2 y aire para el OFC de diámetro de 1.4mm. El flujo de gas es a condiciones estándar (298 K, 101325 Pa)

Figura A1. 14 Curva de calibración para H2 para el OFC de diámetro de 1.4mm. El flujo de gas es a condiciones estándar (298 K, 101325 Pa)

estudio teÓrico y experimental de la … · síntesis en un quemador tipo bunsen. los autores...

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