Análisis de la combustión en un quemador tipo micromix para mezclas de hidrogeno gas natural basados en diseño de experimentos y simulación numérica

Abstract

La creciente emisión de gases de efecto invernadero (GEI) a nivel global es una preocupación debido a su contribución directa al calentamiento global, El sector energético es el principal responsable de estas emisiones, especialmente las industrias y el transporte, que dependen principalmente de combustibles fósiles. La descarbonización de estos sectores presenta un gran desafío, debido a la limitada disponibilidad de tecnologías y procesos de bajas emisiones de carbono. En este contexto, el hidrógeno ha surgido como un combustible alternativo para una transición gradual hacia fuentes de energía de cero emisiones de carbono. No obstante, el uso del hidrógeno como combustible también presenta desafíos, no solo en su producción, que requiere gran cantidad de energía y recursos, sino también en su utilización. Si bien la combustión de hidrógeno en quemadores convencionales puede reducir las emisiones de CO2, suele dar lugar a un aumento en las emisiones de NOX debido a las altas temperaturas de llama generadas. Estos problemas han motivado el desarrollo de tecnologías de combustión avanzadas, como los quemadores tipo micromix, que están diseñados para mejorar el desempeño del quemador y minimizar las emisiones contaminantes en el uso de mezclas de hidrógeno. El presente estudio desarrolló un análisis de la combustión en un quemador tipo micromix para mezclas de hidrógeno y gas natural, basados en diseño de experimentos y simulación numérica paramétrica, considerando indicadores como longitud de llama, índice de emisiones, el cual involucra el análisis de emisiones de CO2 equivalentes y tasa de momento de flujo como parámetro adimensional representativo del régimen de operación. Para ello, se emplearon modelos CFD, incluyendo el modelo Eddy Dissipation Concept (EDC), el modelo de radiación Discrete Ordinates y el modelo de turbulencia Reynolds Stress Model (RSM), validados frente a datos experimentales del Laboratorio Sandia y literatura especializada. El mecanismo de reacción GRI-Mech 3.0 demostró alta precisión en la predicción de especies como H2, OH, H2O y NO, con errores menores al 3 % en quemadores difusivos. El análisis numérico paramétrico permitió identificar los factores geométricos y operativos más influyentes sobre las emisiones y la temperatura máxima, tales como el diámetro de boquillas, la altura de compuertas de aire, la relación de equivalencia y el porcentaje de hidrógeno en la mezcla. Estos factores se integraron en el parámetro adimensional como tasa de momento de flujo, que demostró ser una herramienta útil para caracterizar el desempeño del quemador. Se observó que, para mantener bajas emisiones en mezclas con menor contenido de hidrógeno, es necesario incrementar dicha tasa. Además, al aumentar la fracción de H2 del 40 % al 90 %, el índice de emisiones se redujo de valores entre 3–5 a rangos de 0.5–0.7. La geometría optimizada del quemador mostró mejoramiento del desempeño a comparación con los casos analizados, alcanzando una temperatura máxima de 2126 K, una longitud de llama de 41 mm, un índice de emisiones de 0.5 a una composición de 90% de hidrogeno en masa y una reducción de emisiones de NOX de hasta un 86 % en comparación con un quemador difusivo convencional usando hidrogeno solo como combustible. Estos resultados evidencian el potencial de la tecnología Micromix como solución efectiva y escalable para la combustión limpia de hidrógeno.