Desarrollo de quemadores industriales de amoníaco y de capacidades de modelización

RESUMEN 

El amoníaco, como combustible para la calefacción industrial y la generación de vapor, se está considerando como una opción para ayudar a reducir las emisiones industriales de gases de efecto invernadero, especialmente en regiones que carecen de gas natural autóctono o de espacio poroso para el secuestro_{de CO₂}. El amoníaco resulta atractivo como combustible con bajas emisiones de carbono debido a su densidad energética y a la facilidad de transporte que ello conlleva en comparación con el hidrógeno y otras alternativas; a la existencia de protocolos, normas e infraestructuras para el transporte de amoníaco; y a que elimina la necesidad de instalaciones adicionales y el consumo de energía que supone convertir el amoníaco de un medio portador (amoníaco/hidrocarburo) en combustible (hidrógeno).  

Debido a su baja velocidad de llama laminar y a su propensión a generar altas concentraciones de óxidos de nitrógeno (_NOx), el amoníaco plantea dificultades como combustible en comparación con los combustibles gaseosos a base de hidrocarburos y de hidrógeno. Este artículo describe el desarrollo, hasta la fecha, de un quemador comercial basado en los diversos conceptos de quemadores Zeecopara su uso en aplicaciones de calefacción industrial y generación de vapor. Además, describe el desarrollo de herramientas de modelización que permiten predecir el rendimiento de la combustión del amoníaco en un quemador para aplicaciones comerciales.  

El trabajo de desarrollo técnico aquí descrito forma parte de un programa más amplio sobre la combustión del amoníaco liderado por ExxonMobil, que incluye investigación básica llevada a cabo por el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) y la Universidad de Stanford, con el objetivo de profundizar en el conocimiento de la combustión del amoníaco para permitir el desarrollo de un quemador de amoníaco destinado a aplicaciones comerciales específicas.

En este artículo se presentan los resultados de las pruebas realizadas con el quemador GLSF FREE JET® modificado Zeeco, seleccionado tras probar diversos modelos de quemadores. Las pruebas se han llevado a cabo con diferentes mezclas de amoníaco e hidrógeno o gas natural en diversas condiciones de funcionamiento, lo que demuestra los avances en el desarrollo de un quemador de amoníaco capaz de proporcionar una llama estable con niveles_{de NOx} controlables. En este artículo se incluyen datos de ensayos de emisiones de amoníaco correspondientes a tres diseños de quemadores comerciales, junto con análisis de dinámica de fluidos computacional (CFD) que los respaldan y una discusión sobre cómo se puede utilizar la CFD para predecir el rendimiento de la combustión al quemar amoníaco. El uso conjunto de ensayos de combustión y CFD es esencial para desarrollar nuevas tecnologías y predecir el rendimiento en aplicaciones comerciales con una certeza razonable. Por último, este artículo esboza los próximos pasos en el programa de desarrollo de quemadores de amoníaco comerciales.

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INTRODUCCIÓN

El interés por la combustión de amoníaco como combustible libre de carbono para los sistemas energéticos está ganando terreno, especialmente en zonas geográficas donde el gas natural (GN) autóctono y el secuestro_{de CO₂} son limitados o inexistentes. La elevada densidad energética del amoníaco, su baja intensidad de carbono y la facilidad de transporte que ello conlleva lo convierten en un combustible atractivo en comparación con muchas alternativas, incluido el hidrógeno. Además, aunque su uso aún no está muy extendido, la industria ya cuenta con protocolos, normas e infraestructuras establecidas para la manipulación y el transporte del amoníaco. Por último, la combustión directa de amoníaco elimina la necesidad de las instalaciones y el consumo energético adicional que requiere la conversión del amoníaco en hidrógeno. Los primeros en adoptar la combustión de amoníaco se encuentran en las centrales eléctricas de carbón de Asia, donde se está probando el amoníaco como combustible complementario. Esta configuración reduce las emisiones_{de CO₂}, pero sigue dependiendo de la tecnología de reducción catalítica selectiva (SCR) para reducir tanto las emisiones térmicas_{de NOx} como las asociadas al combustible.

En comparación con los gases combustibles industriales de uso habitual, las propiedades del amoníaco son bastante diferentes, tal y como se muestra en la Tabla 1 que figura a continuación. Presenta una baja velocidad de propagación de la llama, una temperatura de llama más baja, límites de inflamabilidad más estrechos y una cinética química más lenta. Estas características hacen que el amoníaco sea un combustible mucho más difícil de quemar. Además, al descomponerse el amoníaco a altas temperaturas, el nitrógeno reacciona con el oxígeno libre, los radicales hidroxilo y otros compuestos, produciendo grandes cantidades de óxidos de nitrógeno (NO,_NO₂,_N₂O). Para permitir un uso generalizado del amoníaco como combustible libre de carbono para la calefacción industrial y la generación de energía eléctrica, es necesario superar estos retos relacionados con la combustión.

Tabla 1. Comparación entre el amoníaco y los gases combustibles habituales.

ExxonMobil y Zeeco puesto en marcha una iniciativa conjunta para desarrollar un quemador de amoníaco comercial que pueda utilizarse en equipos de calefacción industrial tanto nuevos como ya existentes (calefacción de procesos, generación de vapor, etc.). El programa de desarrollo tiene como objetivo fabricar un quemador que ofrezca flexibilidad en la composición del combustible, garantice un rendimiento estable en todas las condiciones de funcionamiento y contribuya a reducir las emisiones de gases de efecto invernadero. Los objetivos de emisión del proyecto incluyen un nivel de_NOx inferior a 200 ppm (idealmente, por debajo de 100 ppm) y un escape de amoníaco inferior a 50 ppm (preferiblemente, por debajo de 10 ppm) con un 3 %_{de O₂} en seco. Este artículo describe los avances en el desarrollo hasta la fecha.

DESARROLLO DE QUEMADORES, PLAN DE PRUEBAS E INSTALACIONES DE PRUEBAS

Plan de desarrollo y pruebas:

Se identificaron tres conceptos de quemadores como puntos de partida para el desarrollo de un quemador de amoníaco comercial:

1. 1. El quemador GBZeeco: un quemador convencional de gas sin tratar con estabilización de la llama mediante un cuerpo romo en una única boquilla central de combustible
2. 2. FREE JET GLSF FREE JET Zeeco: un quemador_{de emisiones ultrabajas de NOx} (ULNB) con boquillas de combustible escalonadas, estabilizadas sobre una baldosa refractaria caliente, y con llama procedente de boquillas de combustible auxiliar situadas en el interior de la baldosa
3. 3. El quemador GLSF DTZeeco: un quemador ULNB con el mismo tipo de boquillas escalonadas y auxiliares dispuestas alrededor de una baldosa refractaria, con un conjunto adicional de boquillas de combustible escalonadas en el perímetro del quemador

La figura 1 muestra los esquemas de los tres conceptos de quemador.  

Figura 1. Conceptos de quemadores en las pruebas iniciales: (de izquierda a derecha) GB, FREE JET, DT.

Las pruebas iniciales y la optimización de la configuración de los quemadores se llevaron a cabo con versiones de tiro natural, con una potencia nominal de 4 MMBtu/h, de estos tres tipos de quemadores en el Centro Tecnológico Global (GTC) Zeeco, situado cerca de Tulsa, Oklahoma. La elección de un tamaño de quemador situado en el extremo inferior de la escala comercial permitió realizar un gran número de ensayos de forma rápida y económica. La mezcla más intensa de combustible y aire que permite una mayor caída de presión del aire de combustión en los diseños de quemadores de tiro forzado puede enmascarar las deficiencias de diseño del quemador durante el desarrollo inicial del concepto. Por ello, se optó por realizar ensayos con tiro natural para facilitar la identificación de conceptos de configuración de quemadores que optimicen la estabilización de la llama y las emisiones_{de NOx} y_NH3.

Durante la fase inicial de pruebas del quemador, el quemador GB mezclaba amoníaco con combustible auxiliar, ya que solo se encendía una corriente de gas. Los diseños ULNB (FREE JET DT) utilizaban corrientes de combustible separadas para las puntas auxiliares (las puntas del centro) y las puntas principales (las puntas alrededor de la placa del quemador), lo que permitía utilizar gas natural o hidrógeno al 100 % en las puntas auxiliares centrales, al tiempo que se maximizaba el contenido_{de NH₃} del combustible en las puntas principales. Se utilizaron gas natural e hidrógeno como combustible de apoyo.  

Los resultados de estas pruebas iniciales se utilizaron para identificar el concepto de diseño más prometedor, que posteriormente se optimizó aún más con el fin de maximizar el porcentaje de amoníaco en la mezcla de combustible que se podía utilizar, sin dejar de producir una llama estable con emisiones reducidas. Este diseño, el más prometedor, se utilizará para fabricar un quemador de tiro forzado ampliado hasta el rango de capacidad habitual en la mayoría de las aplicaciones de calefacción industrial.

El desarrollo de técnicas de modelización mediante dinámica de fluidos computacional (CFD) para la combustión del amoníaco es una parte fundamental del desarrollo de quemadores de amoníaco comerciales. Mientras que la combustión de hidrocarburos y de hidrógeno se conoce bien y cuenta con modelos cinéticos validados, la modelización de la combustión del amoníaco se encuentra en una fase inicial de desarrollo. El trabajo de CFD se centró en mejorar los modelos de cinética química y de turbulencia para simular mejor la combustión del amoníaco. El objetivo de este trabajo es desarrollar herramientas de CFD que sirvan de apoyo al diseño de quemadores y permitan predecir su rendimiento en aplicaciones comerciales.

Instalaciones de ensayo: 

Se seleccionó un horno de ensayo cilíndrico vertical (VC) de un solo quemador ya existente en el GTC Zeeco, dimensionado adecuadamente para el quemador de 4 MMBtu/h que se estaba sometiendo a ensayo, con el fin de instalar los equipos necesarios para permitir la combustión de amoníaco. El horno de ensayo utilizado tenía una altura de la cámara radiante de aproximadamente 14’ y un diámetro del círculo de tubos de 6’, con un único quemador sometido a ensayo en el centro del suelo del horno. La temperatura de la cámara de combustión del calentador se controlaba mediante el caudal de agua a través de los tubos situados en un lado del VC, imitando así un horno cilíndrico vertical comercial con múltiples quemadores dispuestos en círculo dentro de un círculo mayor de tubos de fluido de proceso.  

Se añadieron o modificaron los sistemas de suministro de combustible, vaporización, tuberías y dosificación para permitir la manipulación del amoníaco. Para garantizar un funcionamiento seguro, se llevó a cabo una revisión detallada de seguridad con el fin de asegurar que se dispusiera de las instalaciones adecuadas, se elaboraran los procedimientos operativos necesarios y se formara al personal operativo para mitigar los riesgos asociados a la manipulación y el uso del amoníaco como combustible. Los procedimientos operativos y la formación incluyeron la consideración del personal presente en las instalaciones en el momento de las pruebas, las condiciones ambientales, la velocidad y la dirección del viento, etc.

La medición de emisiones era otro ámbito que requería una atención especial. Los sistemas tradicionales de medición_{de NOx} que utilizan quimioluminiscencia pueden dar resultados engañosos debido a posibles interacciones con el deslizamiento_{de NH₃} presente en el sistema. Además, era importante medir el deslizamiento_{de NH₃} y_{el N₂O}para alcanzar los objetivos de desarrollo de quemadores del programa. Las emisiones_{de NOx} incluyen NO y_NO₂, pero no tienen en cuenta_{el N₂O}. En la mayoría de los sistemas de combustión con mezclas de combustibles de hidrocarburos e hidrógeno, las emisiones_{de N₂O}son muy bajas, normalmente inferiores a 5 ppm. Sin embargo, con un contenido muy elevado de nitrógeno ligado al combustible en una mezcla con alto contenido de amoníaco, existe un potencial mucho mayor de emisiones significativas_{de N₂O}. Las emisiones_{de N₂O}no han sido históricamente motivo de preocupación, ya que no causan daños respiratorios a las personas, a diferencia de_{los NOx}, que provocan la formación de ozono atmosférico. No obstante,_{el N₂O}es un potente gas de efecto invernadero, por lo que resulta especialmente preocupante cuando se utiliza el amoníaco como combustible con bajas emisiones de carbono para reducir las emisiones_{de CO₂}.  

Para la medición de emisiones, se instalaron los siguientes analizadores en el horno de ensayo. Entre ellos se encontraban:

• • • Un sistema de espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier (FTIR) para medir NO,_NO₂,_N₂O,_NH₃,_O₂,_H₂O,_CO₂, CO
    • Un sistema basado en un láser de diodo sintonizable (TDL) para medir NO,_NH₃ y_H₂O
    • Analizadores de tipo quimioluminiscente y paramagnético para_NOx,_NO₂,_O₂ (en seco) y CO

El sistema TDL se instaló en la chimenea (figura 2) en dos pares de conexiones de boquillas. Los otros dos sistemas de análisis utilizaban sistemas de muestreo calefactados independientes para llevar la muestra de gases de combustión hasta los analizadores, situados a nivel del suelo.

Figura 2. Analizador TDL en la chimenea del horno de ensayo

La combustión de altos niveles de amoníaco planteó algunos retos y dio lugar a una serie de observaciones, que se enumeran a continuación:

• • Las elevadas concentraciones de humedad en los gases de combustión plantearon dificultades para los sistemas FTIR y TDL (interferencia de longitudes de onda). Era necesaria una configuración del analizador que tuviera en cuenta el rango previsto de concentración de vapor de agua en los gases de combustión. En el momento de redactar este artículo, la configuración del TDL que permita realizar mediciones validadas aún se encuentra en fase de desarrollo, por lo que todas las mediciones_{de NH₃} citadas en este artículo proceden del analizador FTIR. 

  • Ammonia is a “sticky” gas and can stay adhered to the sample line tubing wall for an extended period. This made it challenging to take test point measurements that did not carry ammonia slip from previous test points. A test was conducted where the analyzer initially read <1 ppm NH₃ before ammonia fuel was introduced; upon firing, ammonia measurement spiked to 2000–4000 ppm. The sample line was opened to the atmosphere, and it took 12 minutes for NH₃ levels to drop below 10 ppm and 53 minutes to reach 2 ppm! 
  • Además, el amoníaco se absorbe en el aislamiento del horno. En una prueba independiente, se apagó el quemador y se abrió la puerta del horno al exterior. En el centro del horno, la lectura_{de NH₃} era cero, pero oscilaba entre 9 y 17 ppm cuando se medía a 6” del aislamiento. Asimismo, se han dado casos en los que, al poner en marcha el calentador con_H₂ (o gas natural), se registró_NH₃ debido al amoníaco atrapado en el aislamiento, incluso tras una purga nocturna (con el sistema abierto en tiro natural). La figura 3 muestra la evolución del_NH₃ medido por el analizador FTIR en función del tiempo transcurrido tras apagar el quemador, cuando este quemaba un combustible con alto contenido en amoníaco (más del 80 % en volumen). 
  • Se habían producido algunos casos en los que el amoníaco se había condensado en las tuberías de combustible y se había acumulado en la válvula. El líquido no se quemaba bien en el quemador de gas y se detectó_NH₃ en la chimenea. 

Figura 3._NH₃ residual medido en la chimenea en función del tiempo transcurrido tras el apagado del quemador 

RESULTADOS DE LAS PRUEBAS INICIALES DEL QUEMADOR

Durante esta fase inicial de desarrollo, se realizaron pruebas de los quemadores en un rango de niveles de exceso de O₂ con un tiro de fondo de aproximadamente 0,3” WC. La temperatura de la cámara de combustión se mantuvo entre 1600 y 1750F en la mayoría de los puntos de ensayo. Inicialmente, ninguno de los tres diseños de quemador funcionó satisfactoriamente, ya que todos ellos generaban altas concentraciones de amoníaco en la chimenea. Se realizaron modificaciones en cada uno de ellos para mejorar la estabilidad de la llama, reducir las emisiones_{de NOx} y de amoníaco, y aumentar el contenido de amoníaco en el combustible. 

La tabla 2 muestra un resumen de los resultados de las pruebas de los tres conceptos de quemador tras su optimización. El quemador GB convencional podía quemar hasta un 20 % (*) de amoníaco cuando se mezclaba con gas natural y hasta un 60 % cuando se mezclaba con hidrógeno. Sin embargo, los niveles_{de NOx} seguían siendo elevados. FREE JET GLSF FREE JET mostró una mejora notable, produciendo una llama estable con un 100 % de amoníaco a través de las puntas principales, aunque el deslizamiento de amoníaco se volvió inaceptable cuando el amoníaco como combustible principal superaba el 80 %. También generó menores emisiones_{de NOx} que el quemador GB. El quemador DT tuvo un rendimiento similar al del FREE JET, sin ofrecer ninguna ventaja clara. A la luz de estos resultados, se decidió centrarse en el concepto FREE JET para su desarrollo posterior.

Tabla 2. Resultados iniciales de las pruebas con el nivel máximo de amoníaco en el combustible 

Observaciones iniciales de la prueba: 

A continuación se resumen algunas observaciones clave de las pruebas iniciales:

• • Al aumentar el contenido_{de NH₃} en las boquillas principales de combustible por encima del 80 % en volumen en el GLSF FREE JET, el quemador se mantuvo estable, pero la longitud de la llama aumentó y provocó un deslizamiento significativo_{de NH₃} (de 200 ppm a >1000 ppm) en la chimenea. Las imágenes de la figura 4 muestran llamas estables con diversos contenidos de amoníaco en las boquillas de combustible principal, de hasta un 100 % de amoníaco, a pesar de la fuga muy elevada en estas condiciones. En los datos de la figura 5 se observa un elevado escape de amoníaco tanto con gas natural como con hidrógeno como gas de apoyo en los puntos de prueba en los que_{el NH₃} en las boquillas de combustible principal era superior al 80 % en volumen. Por debajo del 80 % de amoníaco en las boquillas de combustible principal, la mayoría de los puntos de datos oscilaban entre 0 y 5 ppm. 
  • Además de reducir_{los NOx} térmicos, los ULNB también redujeron_{los NOx} ligados al combustible asociados a la combustión de mezclas_{de NH₃}. El quemador convencional GB generó unas emisiones_{de NOx} de ≈ 2.400 ppm con una mezcla de 60 %_{de NH₃} y 40 % de hidrógeno. Con el mismo combustible, el FREE JET GLSF FREE JET generó emisiones_{de NOx} de entre 200 y 400 ppm. Se supone que los gases de combustión arrastrados hacia la llama por las boquillas FREE JET de combustible FREE JET crean zonas en las que_{el NH₂} reduce el NO generado en regiones propicias para la oxidación_{del NH₃} (alto contenido de_O₂ y alta temperatura) a_N₂. 
  • N₂O emission correlated very strongly with NH₃ slip. For test points where NH₃ slip was < 5 ppm, N₂O was less than 10 ppm. Where NH₃ slip was between 5 and 100 ppm, N₂O was between 10 and 50 ppm. For NH₃ slip > 100 ppm, N₂O was 50-150 ppm. Thus, limiting NH₃ slip results in preventing N₂O emissions that erode the CO₂ emission reduction benefit of ammonia fuel. 
  • Los resultados de las pruebas de aire escalonado mostraron que, incluso con pequeñas cantidades de aire escalonado en las secciones superiores del horno, las emisiones_{de NOx} aumentaban en ≈ 25 ppm. Por lo tanto, el aire escalonado en las regiones superiores del horno podría no ser un método eficaz para reducir_{las emisiones de NOx}. Además, esto demostró que, en el caso de los calentadores de proceso y otras aplicaciones en las que el horno funciona a presión negativa, las fugas de aire pueden tener un impacto significativo en las emisiones_{de NOx} en condiciones reales. 
  • Las mediciones de amoníaco realizadas durante FREE JET a 3,4 MMBtu/h, con los quemadores principales alimentados con un 10 % en volumen de gas natural y un 90 % en volumen_{de NH₃}, y con un 20 % de la liberación de calor procedente del gas natural en los quemadores auxiliares, dieron como resultado 1 100 ppm_{de NH₃} a 15’ por encima del suelo y 5,5 ppm en la chimenea. La adición_{de NH₃} por encima de la llama para simular la reducción selectiva no catalítica (SNCR) con el fin de reducir_{los NOx} no era una opción con una combustión con alto contenido de amoníaco. En su lugar, el objetivo se centró en reducir la altura de la llama. 

Figura 4. Pruebas iniciales del GLSF FREE JET distribución del combustible en la punta principal 

Figura 5. Comparación de las emisiones de chimenea del FREE JET de GLSF, tanto con gas natural como con hidrógeno como combustible de apoyo 

DESARROLLO Y PRUEBAS DEL FREE JET GLSF CON TIRO NATURAL OPTIMIZADO

Al término de las pruebas iniciales, quedó claro que el FREE JET mejorado del GLSF FREE JET era el más prometedor de los tres conceptos probados. El quemador se sometió a un desarrollo adicional para mejorar su rendimiento en la combustión de amoníaco. Como se ha indicado anteriormente, en las pruebas iniciales se utilizó bien un 100 % de GN o un 100 %_{de H₂} en las puntas auxiliares para garantizar la estabilidad de la llama. Las boquillas de combustible principales utilizaban una mezcla de_NH₃ y un combustible de apoyo (GN o_H₂).   

En el desarrollo y las pruebas del quemador mejorado, tanto las boquillas auxiliares como las principales se conectaron a la misma fuente de suministro, lo que dio lugar a una composición idéntica para ambos conjuntos de boquillas. Los parámetros de diseño examinados y mejorados durante la fase inicial de desarrollo se volvieron a evaluar con el fin de aumentar el_porcentaje total_{de NH₃} que llegaba al quemador, al tiempo que se intentaba alcanzar el rendimiento objetivo. Se comprobó que mantener la llama de la boquilla auxiliar para garantizar un encendido fiable del gas combustible principal resultaba complicado, por lo que se probaron varias modificaciones en las mismas condiciones del horno utilizadas en la fase inicial de pruebas.

Resultados de las pruebas de rendimiento optimizado del quemador:

La concentración máxima_{de NH₃} alcanzada, sin dejar de cumplir los criterios de rendimiento deseados, fue del 70 %_{de NH₃} y del 30 % de gas natural. Aunque este contenido global_{de NH₃} en el combustible del quemador fue similar al de las pruebas iniciales, el hecho de eliminar la necesidad de un suministro independiente de gas natural al 100 % o de hidrógeno al 100 % para las puntas auxiliares supuso una mejora sustancial de cara a conseguir un quemador adecuado para su implantación en el ámbito industrial. Con un contenido de amoníaco superior al 70 %, las fugas de amoníaco aumentaron rápidamente. En las figuras 7 y 8 que figuran a continuación se muestra el rendimiento optimizado del quemador de tiro natural con diferentes cantidades de_NH₃. 

Figura 6. Relación entre_NOx y el contenido_{de NH₃} en el combustible para un generador de vapor de chorro libre (GLSF FREE JET) de tiro natural optimizado con un único suministro de combustible 

Figura 7. Deslizamiento_{de NH₃} frente al contenido_{de NH₃} en el combustible para FREE JET GLSF FREE JET de tiro natural optimizado FREE JET un único suministro de combustible 

FREE JET de tiro natural optimizado, que funciona con un único suministro de combustible, ha demostrado un rendimiento sólido a altos niveles de amoníaco, con niveles razonables de emisiones_{de NOx} y_NH₃. Este diseño requiere mejoras adicionales para permitir niveles más elevados de amoníaco y alcanzar finalmente una combustión al 100 % con amoníaco que sea adecuada para aplicaciones comerciales, lo cual constituye el objetivo final de este proyecto. En la sección «Trabajos futuros» de este artículo se aborda este tema con más detalle. 

DESARROLLO DE HERRAMIENTAS DE MODELIZACIÓN CFD PARA LA PREDICCIÓN DEL RENDIMIENTO DE LOS QUEMADORES

El uso combinado de ensayos de combustión y dinámica de fluidos computacional (CFD) es esencial para el desarrollo de un quemador destinado al uso industrial. Para que su adopción en la industria se consolide, será necesario predecir con una certeza razonable el rendimiento del quemador (forma de la llama, emisiones, interacciones entre llamas, etc.) en una aplicación comercial. Si bien las herramientas de CFD para hidrocarburos y combustibles de hidrógeno están hoy en día muy consolidadas, en el caso del amoníaco se encuentran en una fase muy temprana de desarrollo. Aunque los quemadores individuales pueden evaluarse rápidamente en un horno de ensayo, el valor de la CFD radica en proporcionar predicciones precisas del rendimiento en instalaciones con múltiples quemadores, especialmente para aplicaciones nuevas o poco habituales. 

Los trabajos de CFD se centraron en la modelización de las emisiones de los hornos relacionadas con fenómenos críticos pero difíciles de predecir, como las emisiones de_NOx y las fugas de amoníaco. El método de modelización CFD desarrollado durante este proyecto ofrece una vía prometedora para aplicaciones más complejas, como la combustión de amoníaco en equipos industriales con múltiples quemadores.

Las características principales del modelo son las siguientes:

1. 1.k-Ɛ realizable, RANS en régimen estacionario
2. 2. El modelo de interacción entre turbulencia y química «Eddy Dissipation Concept» (Magnussen y Hjertager¹), con parámetros ajustados para esta aplicación
3. 3. Un mecanismo cinético químico simplificado basado en el mecanismo CRECK (Stagni et al.2) para mezclas de gas natural y amoníaco, y en los mecanismos creados por el MIT para este proyecto (Doner et al.3) para la cinética de H-N-O, en los que no hay hidrocarburos presentes

A continuación se muestran algunos resultados seleccionados de la simulación, junto con comparaciones con los datos de los ensayos físicos.

Figura 8. Resultados del CFD para una liberación de calor de 4 MMBtu/h con una mezcla de combustible principal compuesta por un 75 %_{de NH₃ y un 25 %} de GN, y una mezcla de combustible auxiliar compuesta al 100 % por GN 

La figura 9 muestra los resultados típicos de un análisis CFD para una mezcla de amoníaco y gas natural como combustible principal en el FREE JET GLSF FREE JET , con una liberación de calor de 4 MMBtu/h. Los tubos de refrigeración situados a un lado del horno de ensayo provocan una circulación descendente de gas rico en oxígeno cerca de los tubos, lo que da lugar a una combustión más rápida del combustible en este lado de la llama y a que la llama se incline hacia el lado más caliente del horno.  

Figura 9. Velocidad de reacción neta del NO con el modelo CRECK RM para FREE JET GLSF a 4 MMBtu/h, con una mezcla de combustible principal compuesta por un 75 % de_{NH₃ y un 25 %} de GN, y combustible auxiliar 100 % GN 

La figura 9 muestra tanto la formación como la destrucción de NO en una llama que quema una mezcla compuesta por un 75 % de_NH₃ y un 25 % de gas natural. El modelo incluía suficientes detalles de cinética química para predecir la formación de NO a partir de las vías del combustible y térmicas, así como la destrucción del NO por el amoníaco mediante reacciones de reducción no catalítica selectiva (SNCR). El resultado de este modelo concuerda cualitativamente con la interpretación Zeecosobre el funcionamiento de la alimentación escalonada del combustible, el arrastre de gases de combustión y la mezcla retardada de aire y combustible, combinada con los conocimientos actuales sobre la oxidación_{del NH₃} y la química de la reducción del NO. La combinación del retraso en la mezcla de aire y combustible y el arrastre de gases de combustión con menor contenido de O₂ y más fríos hacia la llama da lugar a zonas adyacentes propicias para la producción de NO a partir de la oxidación_{del NH₃} y para la reducción del NO mediante la reacción con_NH₃ disociado y radicales OH.

Figura 10. Comparación de las mediciones de deslizamiento de NO y_NH₃ en la chimenea para las pruebas iniciales de combustible_NH₃/H₂ FREE JET ) del GLSF frente a las predicciones de CFD utilizando dos modelos cinéticos 

La figura 10 compara las emisiones medidas y las previstas en la chimenea para el NO y las fugas de amoníaco. El modelo CFD que generó los valores previstos utilizó dos mecanismos diferentes:  

1. 1. Modelo químico simplificado de 50 especies basado en el mecanismo detallado de Stagni et al. 
2. 2. Modelo químico desarrollado por el MIT para este proyecto (Doner et al.) 

Los datos medidos que se muestran en la figura 10 proceden de ensayos realizados con el FREE JET GLSF FREE JET , en los que se quemaron diversas mezclas de amoníaco e hidrógeno en las puntas principales, mientras que en las puntas auxiliares se utilizó hidrógeno al 100 %. El mecanismo MIT ofrece excelentes resultados de NO para las mezclas_{de NH₃-H₂}, pero sobreestima el NO en el caso_{del H₂} puro. El CFD, utilizando ambos mecanismos, predice un deslizamiento de amoníaco de un solo dígito o de fracciones de ppm hasta un 80 % de amoníaco, pero varía significativamente en la combustión de amoníaco puro, siendo el mecanismo CRECK el que ofrece mejores resultados cuantitativos. 

Figura 11. Comparación de las desviaciones de NO y_NH₃ en la chimenea frente a las predicciones de CFD utilizando dos modelos para FREE JET de tiro natural optimizado 

La figura 11 muestra los resultados del CFD para el FREE JET GLSF FREE JET optimizado. Este quemador se sometió a ensayos con gas natural al 100 % y con mezclas de combustible que oscilaban entre el 60 % y el 75 %_{de NH₃} (un único combustible tanto para las puntas auxiliares como para las principales). Todas las simulaciones de estos ensayos se realizaron utilizando el mecanismo reducido CRECK de 50 especies, ya que el mecanismo del MIT disponible durante este trabajo no incluía la química de los hidrocarburos. 

Las predicciones de NO son razonablemente buenas para este conjunto de datos. La fuga de amoníaco también se predice bien. En el caso del FREE JET de tiro natural optimizado, el modelo CFD predijo la aparición de la fuga de amoníaco con un 70 %_{de NH₃} como combustible_, mientras que la medición real mostró que la fuga se produjo con un 75 %. La precisión de las predicciones de las concentraciones de NO y_NH₃ en la chimenea es muy alentadora, sobre todo teniendo en cuenta que no se ha abordado la cuantificación de la incertidumbre experimental y que el desarrollo del modelo cinético sigue en curso.

TRABAJOS FUTUROS

A raíz del éxito inicial de los resultados de la combustión de amoníaco presentados anteriormente, se han previsto las siguientes líneas de trabajo futuras. 

Desarrollo de quemadores:

Diseñar y probar un prototipo de quemador de tiro forzado basado en el FREE JET GLSF FREE JET con las siguientes características:

• • Capaz de funcionar con amoníaco al 100 % y con un combustible de reserva que puede ser gas natural o hidrógeno 
  • Suministro de un único combustible gaseoso
  • Emisiones de_NOx inferiores a 200 ppm (a ser posible, por debajo de 100 ppm) y fugas de_NH₃ inferiores a 50 ppm (preferiblemente por debajo de 10 ppm)

Desarrollo de herramientas CFD:

Los futuros trabajos en CFD continuarán con la implementación de cinéticas reducidas y detalladas. Los grupos de investigación del MIT y de Stanford seguirán aportando sus conocimientos especializados para avanzar en estos objetivos. 

CONCLUSIONES 

El desarrollo inicial del quemador demostró que un quemador ULNB de tiro natural puede quemar con éxito una mezcla con un 70 % de_NH₃ en gas natural y alcanzar un rendimiento_{en cuanto a NOx} similar al de los quemadores convencionales de gas sin tratar que utilizan gases combustibles convencionales, incluso con ese nivel de concentración de amoníaco. El trabajo también demostró que los quemadores de combustible por etapas superan con creces a los quemadores convencionales a la hora de quemar amoníaco.  

La combinación de submodelos seleccionados para lograr una capacidad de simulación CFD de la combustión de amoníaco ofrece predicciones aceptables de las emisiones de NO y del deslizamiento de amoníaco para aplicaciones industriales, lo cual se ha demostrado en diferentes configuraciones de quemadores y mezclas de amoníaco con hidrógeno y gas natural. Entre los mecanismos químicos probados, el mecanismo CRECK reducido modeló eficazmente tanto la combustión del amoníaco como la de los hidrocarburos, mostrando una concordancia razonable con las tendencias experimentales, aunque este seguirá siendo un ámbito que requiere un mayor perfeccionamiento. 

De cara al futuro, se espera que el desarrollo continuo de los quemadores, en estrecha relación con la modelización avanzada mediante CFD, permita una combustión segura del amoníaco con emisiones de NOx aún más bajas. El desarrollo de un quemador de tiro forzado ampliará aún más las posibilidades. 

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