El uso del amoníaco como combustible para la calefacción industrial y la generación de vapor se está considerando en el sector como una posible opción para reducir las emisiones industriales de gases de efecto invernadero, especialmente en regiones (por ejemplo, Japón y Corea) que carecen de gas natural autóctono y/o de espacios porosos identificados parael secuestro de CO₂ . El amoníaco es una opción potencialmente atractiva como solución de combustible con menor contenido de carbono debido a: i) su densidad energética, que puede traducirse en una mayor facilidad de transporte en comparación con el hidrógeno; ii) la existencia de protocolos, normas e infraestructuras que pueden facilitar el transporte del amoníaco; y iii) la posibilidad de evitar la construcción de instalaciones adicionales y el consumo de energía asociados a la conversión del medio portador (amoníaco/hidrocarburo) en combustible (hidrógeno).
Debido a su velocidad de llama laminar relativamente baja, su sensibilidad a las variaciones de velocidad, su estrecho rango de inflamabilidad y su propensión a generar altas concentraciones de óxidos de nitrógeno (NOx), el amoníaco plantea retos como combustible en comparación con los hidrocarburos gaseosos y los combustibles a base de hidrógeno. En este artículo se describirá el desarrollo adicional de los diseños de quemadores y la capacidad asociada de dinámica de fluidos computacional (CFD) probada y presentada en el Simposio de Combustión Industrial de la AFRC de 2025. Como resultado de estos desarrollos y trabajos adicionales, se presentará un diseño de quemador único basado en la plataforma GLSF FREE JET de Zeeco, específico para su uso en aplicaciones industriales de calefacción y generación de vapor con tiro forzado. También se describen las mejoras en las herramientas de modelización y los métodos analíticos que permiten predecir el rendimiento de los quemadores de amoníaco en aplicaciones comerciales.
El trabajo de desarrollo descrito en este artículo forma parte de un programa más amplio sobre la combustión del amoníaco patrocinado 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 mejorar el rendimiento de un quemador de amoníaco destinado a aplicaciones comerciales.
Este artículo incluirá datos de las pruebas realizadas con el quemador GLSF FREE JET modificado por Zeecoen servicio de tiro forzado, con y sin aire precalentado, utilizando 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 capaz de proporcionar una llama estable con emisiones de NOx y amoníaco que cumplen los objetivos de rendimiento. También incluirá análisis CFD de apoyo y un análisis de cómo se puede utilizar la CFD para ayudar a predecir el rendimiento de la combustión. Este artículo reforzará la idea de que tanto los ensayos de combustión como la CFD son esenciales para desarrollar nuevas tecnologías y predecir el rendimiento en aplicaciones comerciales con una certeza razonable.
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El interés por la combustión de amoníaco como medio para reducir las emisiones de CO₂ está aumentando, sobre todo en regiones que carecen de recursos de gas natural o de opciones de secuestro de CO₂. El amoníaco ofrece una alta densidad energética, una baja intensidad de carbono y una infraestructura global consolidada, lo que lo hace más práctico de almacenar y transportar que el hidrógeno. Además, la combustión directa del amoníaco permite evitar el consumo de energía y los equipos necesarios para su craqueo y obtener hidrógeno.
La implantación inicial ya está en marcha en las centrales térmicas de carbón asiáticas, donde se está probando el amoníaco como combustible de co-combustión para ayudar a reducir las emisiones de CO₂. Sin embargo, estos sistemas siguen dependiendo de la reducción catalítica selectiva (SCR) para ayudar a tratar los NOx de origen térmico y derivados del combustible que se producen durante la combustión del amoníaco.
This program focuses on developing a commercial ammonia-fired burner suitable for both new and existing industrial heating applications. The objective is to create a fuel-flexible system that maintains stable operation under a wide variety of conditions while significantly reducing CO₂ emissions. Target performance includes NOx emission levels below 200 ppm (with a goal of <100 ppm) and ammonia (NH₃) slip below 50 ppm (preferably <10 ppm) at 3% O₂ dry. This paper outlines the progress achieved to date.
Se seleccionaron los conceptos de quemadores FREE JET® deZEECO como base para el desarrollo de un quemador comercial de tiro forzado alimentado con amoníaco. Las pruebas iniciales y la optimización de la configuración se llevaron a cabo con quemadores de tiro forzado modificados de FREE JET , con una potencia nominal de 4 MMBtu/h, en el Centro Tecnológico Global de Zeeco, situado cerca de Tulsa, Oklahoma.
El desarrollo de modelos de dinámica de fluidos computacional (CFD) también constituye un elemento fundamental del programa. Si bien la modelización de la combustión de hidrocarburos e hidrógeno está bien consolidada, la cinética del amoníaco y las interacciones entre la turbulencia y la química se encuentran aún en una fase inicial de desarrollo. El trabajo en CFD se centra en perfeccionar los mecanismos de reacción y los modelos de turbulencia para representar con mayor precisión la combustión del amoníaco. El objetivo es desarrollar herramientas de CFD fiables que puedan servir de apoyo al diseño de quemadores y ayuden a predecir el rendimiento en aplicaciones comerciales.
Figura 1: Quemador GLSF estándar de tiro forzado FREE JET .
La figura 1 muestra el quemador estándar GLSF FREE JET . El quemador sometido a ensayo se modificó para funcionar con amoníaco. Todas las puntas de gas, incluidas las auxiliares, quemaban el mismo combustible. El piloto único quemaba gas natural con una liberación de calor de 90 000 Btu/h. El quemador GLSF FREE JET está diseñado para ser fácil de manejar, admite transiciones de combustible desde el 100 % de amoníaco hasta el 100 % de hidrógeno y el 100 % de gas natural, así como cualquier mezcla intermedia, manteniendo al mismo tiempo una llama estable. Estos quemadores están diseñados para funcionar entre 10 y 20 años, ofreciendo al mismo tiempo la simplicidad y la estabilidad que exigen los usuarios.
Un horno de ensayo cilíndrico vertical (VC) de un solo quemador ya existente en el Centro Tecnológico Global de Zeeco
se seleccionó y modificó para permitir la combustión con amoníaco. El horno, dimensionado adecuadamente para el 4.º
El quemador de MMBtu/h que se está evaluando incluye una caja radiante de aproximadamente 17,33 pies de altura con un
distancia entre el tubo y la pared de 5,83 pies. En el centro de la base del horno hay instalado un único quemador, y
La temperatura de la cámara de combustión se regula mediante tubos refrigerados por agua situados a lo largo de uno de los lados del VC, imitando el
Características de absorción de calor de un calentador cilíndrico vertical comercial con múltiples quemadores
dispuestos en el interior de un anillo de tubos de proceso. En la tabla 1 se ofrecen más detalles sobre el horno de ensayo utilizado
en este trabajo.
Tabla 1: Información sobre el horno de ensayo
Se añadieron o mejoraron los sistemas de suministro de combustible específico para amoníaco, vaporización, tuberías y dosificación para garantizar un funcionamiento seguro y fiable. Una revisión exhaustiva de la seguridad confirmó que las medidas de protección de la instalación, los procedimientos operativos y la formación del personal eran adecuados para gestionar los riesgos asociados a la manipulación y la combustión del amoníaco. Los protocolos operativos incorporaron aspectos como la ubicación del personal, las condiciones ambientales, la velocidad y la dirección del viento, y otros factores necesarios para garantizar la ejecución segura de las pruebas.
La medición precisa de las emisiones requirió una atención adicional considerable. Los analizadores de NOx tradicionales basados en quimioluminiscencia pueden arrojar resultados engañosos cuando se produce una fuga de NH₃, debido a interferencias químicas dentro del analizador. También era necesario cuantificar el escape de NH₃ y las emisiones de N₂O para cumplir los objetivos de desarrollo de quemadores del programa. Aunque las mediciones de NOx suelen incluir únicamente NO y NO₂, no tienen en cuenta el N₂O, que suele ser insignificante —a menudo por debajo de 5 ppm— en sistemas que queman combustibles de hidrocarburos o hidrógeno.
Sin embargo, el amoníaco contiene una elevada proporción de nitrógeno ligado al combustible, lo que supone un riesgo de formación elevada de N₂O. Históricamente, el NO y el NO₂ han sido los principales elementos de interés en relación con la formación de ozono atmosférico. No obstante, el N₂O es un gas de efecto invernadero, por lo que su medición y control cobran importancia cuando se sustituye el amoníaco como combustible con menores emisiones de gases de efecto invernadero.
Para la medición de emisiones, se instalaron los siguientes analizadores en el horno de ensayo. Entre ellos se encontraban:
El flujo de trabajo de modelización CFD se basó en el trabajo desarrollado durante el primer año de este programa, en el que se prestó especial atención a los quemadores de tiro natural¹. Dado que las calderas parecen ser la principal oportunidad de mercado a corto plazo para el desarrollo de quemadores de amoníaco, en el segundo año centramos nuestra atención en los quemadores de tiro forzado. Los quemadores de tiro forzado utilizan un ventilador de aire de combustión y, por lo tanto, requieren energía eléctrica, conductos, controles y equipos relacionados. Funcionan con una caída de presión mayor, normalmente de entre 1 y 10 pulgadas de H₂O o más, pero a cambio pueden proporcionar una mejor mezcla, escalonamiento y estabilidad de la llama, lo que permite reducir las emisiones de NOx en comparación con los quemadores de tiro natural. Los quemadores de tiro forzado son habituales en calderas y equipos de combustión que requieren una elevada liberación de calor, flexibilidad en la tasa de combustión, emisiones muy bajas, un rango de regulación más amplio y controles más precisos de la relación aire/combustible.
La metodología CFD desarrollada para este proyecto se diseñó con el fin de cumplir los siguientes objetivos:
1.) Utilizar las funciones de geometría y mallado de un programa comercial para modelar las geometrías reales de los quemadores y los hornos,
2.) Utilizar mecanismos cinéticos químicos detallados, al menos en forma reducida,
3.) Ser capaz de modificar los modelos cinéticos de forma rápida y sencilla,
4.) Prever más de dos corrientes independientes de combustible y oxidante que reaccionen entre sí,
5.) Modelar los efectos de la radiación térmica de los medios participantes,
6.) Ser capaz de modelar los efectos cinéticos químicos derivados de los cambios en el quemador y el horno,
7.) Realizar una simulación de prueba del horno con un solo quemador en aproximadamente un día.
Al inicio de este proyecto, no existía en Zeeco ninguna herramienta de CFD que cumpliera estos requisitos, ni —según una revisión de la bibliografía disponible— en ningún otro lugar del sector de los quemadores. Los modelos de combustión habitualmente utilizados en la industria, como los de equilibrio químico, los de ruptura de remolinos (EBU) y los basados en flamelet, no cumplirían, sin un mayor desarrollo, los requisitos de este proyecto. Los códigos de investigación universitarios utilizan química sofisticada junto con modelos de simulación de grandes remolinos (LES), pero no están diseñados para captar las geometrías detalladas de los quemadores y los hornos, especialmente con diseños de quemadores que cambian rápidamente. Aunque los modelos LES son importantes para comprender los mecanismos que subyacen a características de la combustión como la estabilidad de la llama o el apagado, su cálculo es muy costoso y no permitirían alcanzar la velocidad de procesamiento necesaria para la validación de los modelos y para aportar información al diseño y las pruebas de los quemadores.
En la figura 2 se muestra un ejemplo de efectos cinéticos que no recogen los modelos más sencillos.La química de la reducción térmicade NO (DeNOx) , también conocida como «recombustión de amoníaco» o «reducción selectiva no catalítica» (SNCR), se aprecia claramente al reaccionar el NO conel NH₃ para formarN₂. El volumen azul indica la destrucción del NO en el lado rico en combustible de la llama, mientras que el volumen amarillo indica la producción de NO en el lado pobre. La reducción de NO que se observa en la zona azul es característica de la combustión de amoníaco y no se produce en la combustión exclusiva de hidrocarburos. Estecomportamiento de la eliminación de NO , considerado en su conjunto, es muy sensible a las características geométricas del quemador subyacente. En diferentes configuraciones de quemador, puede que no sea tan prominente.
Figura 2: Isosuperficies de la tasa de formación de NO = 0,05kg/m³ s (amarillo) y de la tasa de destrucción de NO = 0,05kg/m³ s ( azul).
La figura 3 muestra una superficie de llama visible simulada, aproximada mediante una isosuperficie de 1300 K de temperatura, junto con el flujo radiativo hacia los tubos de refrigeración, calculado mediante el método de ordenadas discretas/suma ponderada de gases grises (DO/WSGG). El método DO/WSGG, un pilar fundamental de las simulaciones de combustión industrial, es totalmente compatible con la metodología actual.
Figura 3: Isosuperficie de T = 1300 K y flujo térmico radiativo calculado en el tubo.
Si bien los diseños de quemadores individuales pueden evaluarse experimentalmente, la CFD ofrece información adicional sobre la estructura del flujo, la mezcla y las vías de reacción localizadas que resultan difíciles o imposibles de medir. En este segundo año, la CFD se utilizó tanto como herramienta predictiva como diagnóstica para interpretar las observaciones experimentales. Este trabajo establece una base de referencia validada para futuras aplicaciones, entre las que se incluyen configuraciones de quemadores más complejas, hornos con múltiples quemadores y escenarios de mayor flexibilidad en cuanto a combustibles, que incluyen amoníaco, hidrógeno y otros combustibles.
La figura 4 muestra un análisis de las vías de reacción dentro de una única celda CFD situada en el interior de la zona de reacción. Se observa que están activas las complejas vías químicas que dan lugar al consumo de amoníaco y tanto a la producción como a la destrucción de NO. Esto pone de manifiesto el nivel de detalle cinético químico que incluyen estas simulaciones.
Figura 4: Análisis de la vía cinética química de una sola célula CFD en la zona de reacción.
La figura 5 muestra los resultados del quemador Rev 18. Ambos modelos utilizan el mecanismo reducido basado en elmecanismo detallado CRECK². Este mecanismo reducido se amplió a partir del modelo de 50 especies utilizado en el trabajo del primer año para mejorar la predicción de contaminantes importantes comoel NO₂ yel N₂O. El modelo CFD ofrece buenas predicciones de NO y predice de forma razonable la aparición de NH₃ a medida que aumenta la fracción de amoníaco en el combustible en una configuración de tiro forzado, tal y como se muestra en la figura 5. Las predicciones deN₂OyNO₂ son elevadas en el modelo CFD, pero las tendencias se predicen muy bien.
Figura 5: Resultados de CFD comparados con mediciones FTIR en un quemador de tiro forzado alimentado con amoníaco mezclado con gas natural.
Los resultados de esta validación del CFD demostraron que el CFD es capaz de captar tanto la turbulencia como las interacciones cinéticas químicas con la precisión suficiente como para utilizarse como herramienta predictiva que sirva de guía en el desarrollo de quemadores.
Tras completar el desarrollo y la validación de la metodología CFD para modelar tanto quemadores de tiro natural como de tiro forzado, se llevaron a cabo estudios CFD para explorar las posibles ventajas en cuanto a emisiones y estabilidad de la llama que podrían derivarse de diversas condiciones de funcionamiento y modificaciones en la geometría de los quemadores. Basándose en el potencial de reducción de emisiones y deslizamiento demostrado en las simulaciones CFD, se probaron varias modificaciones de los quemadores y optimizaciones de las condiciones de funcionamiento, concretamente el aumento de la temperatura del precalentador de aire (APH). En la sección siguiente se presentan algunos resultados seleccionados.
La tabla 2 resume las mediciones de emisiones recopiladas a lo largo del programa de desarrollo del quemador. Para cada revisión de la prueba,se enumeran los parámetros operativos clave —entre los que se incluyen la tasa de liberación de calor,la temperatura del aire de combustión y el porcentaje máximo de combustión deamoníaco—junto con los datos brutos de emisiones de fuga deNH₃, NO yN₂O. Todas las concentraciones que figuran en la tabla 2 se midieron utilizando instrumentos FTIR.
Tabla 2: Resumen de las mediciones de emisiones.
Dado que la combustión con amoníaco plantea retos de medición específicos, los valores de fuga de NH₃ representan la concentración máxima de amoníaco que se puede alcanzar manteniendo la fuga por debajo de 50 ppmv. Los valores de NO y N₂O se indican como concentraciones brutas en condiciones secas. El conjunto de datos abarca una amplia gama de condiciones de funcionamiento, incluidas las variaciones en la liberación de calor (3,4–5,0 MMBtu/h), la combustión‑(70–880°F) y el porcentaje de combustión de amoníaco (60–95 %), lo que permite evaluar el rendimiento del quemador en todo el rango de diseño.
La figura 6 muestra las mediciones de emisiones del quemador Rev 25B, que ofreció los mejores resultados.
Figura 6: Mediciones de emisiones de la Rev. 25B, que arrojó los mejores resultados.
Se llevó a cabo una serie de mediciones FTIR con una liberación de calor constante de 3,40 MMBtu/h, variando la composición del combustible desde el 100 % de hidrógeno hasta el 100 % de amoníaco. El objetivo de esta secuencia de ensayos era caracterizar cómo los aumentos graduales del contenido de amoníaco influyen en el comportamiento de las emisiones —concretamente, el escape de NH₃ y la formación de NO y N₂O— en condiciones de funcionamiento por lo demás fijas. Los resultados muestran tendencias claras y sistemáticas que reflejan la química de combustión subyacente de las mezclas de hidrógeno y amoníaco.
El deslizamiento de NH₃ se mantuvo insignificante en todas las mezclas hasta que el amoníaco se convirtió en el componente dominante del combustible. En las mezclas con hasta un 95 % de NH₃, los valores de fuga fueron extremadamente bajos (0-9 ppm), lo que indica una combustión eficaz y una mezcla intensa en estas condiciones. Sin embargo, con un 100 % de amoníaco, la fuga aumentó bruscamente hasta 1207 ppm, lo que pone de manifiesto la dificultad de lograr una conversión completa cuando no hay hidrógeno presente para potenciar la velocidad de la llama y la cinética de la reacción. Este comportamiento subraya el papel estabilizador que desempeña la adición de hidrógeno en la combustión del amoníaco. El nivel más alto de emisionesde NH₃ fue de 9 ppmv, con un deslizamientode NH₃ inferior a 50 ppmv con una mezcla de combustible de ensayo compuesta por un 95 %de NH₃ y un 5 %de H₂. Realizar ensayos con mezclas de un 96 %de NH₃ y un 4 %de H₂, un 97 %de NH₃ y un 3 %de H₂, y un 98 %de NH₃ y un 2 %de H₂ habría ayudado a generar una curva para determinar la proporción en la que el NH₃ superaba realmente el nivel de 50 ppmv.
Las emisiones de NO mostraron una fuerte dependencia de la concentración de amoníaco. Con un 100 % de hidrógeno, se midieron 107 ppm de NO, lo que refleja la combustión térmica típica‑en una llama de hidrógeno. A medida que aumentaba el contenido de amoníaco, el NO se incrementó de forma significativa, alcanzando un máximo de 644 ppm para la mezcla con un 60 % de NH₃ . Este aumento se corresponde con la introducción de combustible‑, que se oxida fácilmente a NO a altas‑temperatura.
Curiosamente, los niveles de NO disminuyeron a medida que aumentaban las fracciones de amoníaco, cayendo a 197 ppm con un 90 % de NH₃ y a 96 ppm con un 100 % de NH₃. Esta disminución sugiere que, a medida que el amoníaco se convierte en el combustible dominante, las temperaturas más bajas de la llama y una cinética más lenta inhiben la formación de NO a pesar del elevado contenido de nitrógeno. El resultado es un no-monotónica del NO: aumenta con el NH₃ , para luego descender a medida que la llama pasa a estar dominada por el amoníaco‑dominado por el amoníaco.
El mejor valor de emisiones de NO (143 ppmv), en el que el deslizamientode NH₃ fue inferior a 50 ppmv, se registró con una mezcla de 95 %de NH₃ y 5 %de H₂.
Las emisiones de N₂O se mantuvieron cercanas a cero para mezclas con hasta un 60 % de NH₃, lo que concuerda con la rápida descomposición del N₂O a altas temperaturas de llama. A medida que la concentración de amoníaco aumentaba aún más, el N₂O comenzó a crecer, alcanzando valores de entre 10 y 18 ppm para las mezclas con un 90-95 % de NH₃ y 38 ppm con un 100 % de NH₃. Esta tendencia refleja el cambio hacia una combustión más fría y lenta‑, en las que el nitrógeno intermedio‑como el N₂O, son más estables. El nivel más alto de N₂O fue de 18 ppmv, con un deslizamientode NH₃ inferior a 50 ppmv, compuesto por un 95 %de NH₃ y un 5 %de H₂.
El comportamiento combinado del NO y el N₂O ilustra la clásica disyuntiva que plantea la combustión del amoníaco:
Más caliente, hidrógeno‑llamas ricas en hidrógeno → alto nivel de NO, nivel insignificante de N₂O
Enfriador de amoníaco‑llamas ricas en amoníaco → menos NO, más N₂O
El combustible‑varía la mezcla de combustible, lo que pone de manifiesto la compleja interacción entre la temperatura de la llama, la cinética de reacción y el nitrógeno‑vías de conversión del nitrógeno en el proceso de–amoníaco:
Hidrógeno‑generan altas temperaturas de llama, lo que da lugar a altos niveles de NO y niveles insignificantes de N₂O insignificante y una combustión completa del amoníaco.
Las mezclas intermedias (40-60 % de NH₃) presentan las emisiones de NO más elevadas, debidas tanto a factores térmicos como al combustible‑vinculados al combustible.
Amoníaco‑ricas en amoníaco reducen la formación de NO, pero aumentan la de N₂O y NH₃ debido a temperaturas de llama más bajas y una cinética más lenta.
PlEl amoníaco puro plantea el mayor desafío, con un alto deslizamiento y niveles elevados de N₂O a pesar de un contenido relativamente bajo de NOrelativamente bajo.
Estos resultados ponen de relieve la importancia del combustible‑mezcla de combustible, el diseño del quemador y la temperatura‑para equilibrar las emisiones de NO, N₂O y NH₃ en la transición del hidrógeno‑a una solución rica en amoníaco‑dominante.
Figura 7: Caldera « FREE JET » con una potencia de 3,4 MM Btu/h y una caldera «APH» a 885 °F que funciona al 100 % con amoníaco.
Figura 8: Caldera « FREE JET » con una potencia de 3,4 MM Btu/h y una temperatura de salida de humos (APH) de 885 °F, alimentada con una mezcla de un 95 % de amoníaco y un 5 % de hidrógeno.
La figura 9 muestra los rangos de emisiones con diferentes temperaturas del APH según la Rev. 25A y 25B:
Figura 9: Rangos de emisiones con diferentes temperaturas de APH con Rev 25A y B.
Las pruebas de emisiones se llevaron a cabo con una liberación de calor constante de 3,4 MMBtu/h y una mezcla de combustible compuesta por un 90 % de amoníaco y un 10 % de hidrógeno, variando la temperatura del APH desde aproximadamente 500°F a 885°F. Las mediciones FTIR recopiladas durante las revisiones 25A y 25B revelan relaciones claras y consistentes entre la temperatura del APH y la formación de NH₃ , NO y N₂O.
El deslizamiento de NH₃ mostró una fuerte dependencia inversa con respecto a la temperatura del APH. A la temperatura más baja probada (508 °F), el deslizamiento de NH₃ fue extremadamente alto (más de 7000 ppm), lo que indica una conversión incompleta del combustible en condiciones de combustión más frías. A medida que aumentaba la temperatura del APH, el deslizamiento disminuyó drásticamente, cayendo a 23 ppm a 784 °F y alcanzando 1 ppm a 885 °F. Esta tendencia refleja la mejora de la cinética de reacción y una mayor combustión completa del amoníaco sin reaccionar a temperaturas elevadas. Los resultados demuestran que mantener una combustión suficientemente alta‑es esencial para minimizar el escape de amoníaco en sistemas de alta‑NH₃ .
Las emisiones de NO aumentaron de forma constante a medida que subía la temperatura del APH, en consonancia con la temperatura‑conversión del combustible‑ligado al combustible. A 508°F, se midieron 34 ppm de NO, que aumentaron a 99 ppm a 784°F y alcanzando las 197 ppm a 885°F. Este aumento monótono indica que, a mayor altitud,‑favorecen una oxidación más completa del amoníaco‑derivadas del amoníaco, lo que conduce a una mayor formación de NO. Esta tendencia concuerda con los datos ya establecidos sobre el amoníaco‑, en la que las condiciones térmicas y del combustible‑se intensifican con la temperatura.
Las emisiones de N₂O alcanzaron el pico previsto‑y‑descenso característicos de la combustión del amoníaco. A la temperatura más baja del APH (508°F), el N₂O era relativamente alto, de 96 ppm, lo que refleja la formación de compuestos intermedios de nitrógeno‑en condiciones más frías. A medida que aumentaba la temperatura, el N₂O disminuyeron significativamente, cayendo a 32 ppm a 784°F y a 10 ppm a 885°F. Este comportamiento concuerda con la descomposición térmica del N₂O a temperaturas más elevadas, en las que las vías de reacción se desplazan hacia la formación de NO.
Las concentraciones de NO₂ se mantuvieron cercanas a cero en todos los puntos de medición, lo que indica que casi todo el nitrógeno oxidado estaba presente en forma de NO o N₂O. Esto es habitual en condiciones de alta‑temperatura y combustible‑en los que se produce la combustión de amoníaco, donde el NO₂ se suprime cinéticamente.
Los resultados combinados ponen de manifiesto los efectos contrapuestos de la temperatura en la combustión del amoníaco:
Una temperatura baja en el APH provoca un elevado deslizamiento de NH₃, bajos niveles de NO y niveles elevados de N₂O.
LasLas temperaturas intermedias reducen el deslizamiento y el N₂O, al tiempo que aumentan el NO.
HLasLas altas temperaturas minimizan el deslizamiento y el N₂O, pero producen los niveles más altos de NO.
Unas temperaturas APH más elevadas provocan:
Mayor formación de NO.
NH reducido3 .
RN2O.
Estos resultados ponen de relieve la importancia de optimizar el diseño de los quemadores y las condiciones de funcionamiento para equilibrar la combustión completa del amoníaco, la formación de NO y la reducción de N₂O. Los datos proporcionan una base sólida para seguir perfeccionando las estrategias, los conceptos de combustión por etapas y la temperatura‑para cumplir los objetivos del programa’objetivos de emisiones del programa.
CONCLUSIÓN
El programa de desarrollo y ensayo demostró que el amoníaco puede utilizarse con éxito como combustible capaz de reducir las emisiones de CO₂ en aplicaciones de calefacción industrial cuando se combina con un quemador diseñado específicamente para sus características de combustión únicas. Gracias a las mejoras iterativas en el diseño, a los exhaustivos ensayos y a los avances en la modelización CFD, el quemador GLSF FREE JET modificado logró un funcionamiento estable en una amplia gama de mezclas de amoníaco e hidrógeno y en diversas condiciones de precalentamiento del aire. Los resultados de las pruebas muestran que, con un diseño adecuado del quemador y una gestión adecuada de la temperatura, se pueden alcanzar los parámetros de rendimiento previstos por el programa en cuanto a fugas de NH₃ y emisiones de NOx y N₂O en condiciones optimizadas.
El trabajo combinado de experimentación y modelización confirma que tanto los ensayos físicos como la CFD son herramientas esenciales para predecir el rendimiento de la combustión del amoníaco. El perfeccionamiento continuo de la geometría del quemador, la distribución por etapas del combustible y las estrategias de funcionamiento puede contribuir a facilitar la transición de un prototipo a un quemador de amoníaco listo para su comercialización, lo que abre el camino hacia reducciones significativas de las emisiones industriales de CO₂.
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