Caracterización de la formación de NOx térmicos en quemadores de difusión de hidrógeno y análisis de nuevas alternativas de diseño para calderas

Resumen

En el marco de las energías renovables, el potencial del hidrógeno verde como vector energético se presenta como una de las alternativas para la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero y dependencia de los combustibles fósiles en los distintos sectores. La presente tesis doctoral se centra en el uso del hidrógeno verde como sustituto del gas natural en los quemadores de calderas domésticas e industriales, lo cual eliminaría las emisiones de gases de efecto invernadero como el dióxido de carbono o el metano y gases tóxicos como el monóxido de carbono.El proceso de combustión que tiene lugar en los quemadores depende altamente del tipo de combustible y de sus características. En este sentido, las propiedades físico-químicas del hidrógeno y del gas natural difieren de forma considerable, afectando al comportamiento del proceso de combustión. En concreto, debido a que el rango de inflamabilidad del hidrógeno es mucho mayor frente a otros combustibles gaseosos, la combustión del hidrógeno en condiciones premezcladas o parcialmente premezcladas puede llevar al fenómeno de retroceso de llama o flashback, poniendo en riesgo la integridad del quemador y dela caldera. Por otro lado, las altas temperaturas en llamas de hidrógeno favorecen la formación de los NOx térmicos, considerándose éste un gas contaminante y perjudicial para la calidad del aire y la salud. Estas características dificultan la sustitución directa del gas natural por el hidrógeno en los quemadores actuales, teniendo que replantear nuevas alternativas de diseño que aseguren el óptimo funcionamiento con 100% hidrógeno, eliminando el riesgo de retroceso de llama y minimizando la formación de NOx térmicos. En este contexto, la presente tesis doctoral tiene por objeto plantear diseños que eliminen o minimicen estos fenómenos.Para ello, se optó por la tecnología de llamas de difusión en quemadores multillama, en las que no existe premezcla alguna y se elimina por completo el riesgo de retroceso de llama, centrando así la tesis en la problemática de los NOx térmicos. Inicialmente se caracterizó su formación en llamas de difusión considerando un caso de estudio simple, donde se analizó el impacto de distintos parámetros de funcionamiento (potencia térmica, nivel de exceso de aire y régimen de llama). Los resultados permitieron plantear diferentes alternativas de diseño de quemadores en función del régimen de la llama (laminar-turbulento).En base a los resultados de la caracterización, se optó por un diseño de quemador multillama turbulento, tomando como referencia la tecnología Micromix empleada en quemadores de turbinas de gas de hidrógeno. Este concepto se basa en la formación de llamas turbulentas miniaturizadas, las cuales se estabilizan entre dos vórtices generados a partir de la inyección perpendicular del hidrógeno al flujo de aire entrante y el impacto de este flujo con la estructura del quemador. Debido a las diferentes condiciones de operación en calderas, se analizó la viabilidad de esta tecnología para el diseño de quemadores domésticos e industriales. Los resultados mostraron que las características presentadas previamente en diseños para turbinas de gas se mantuvieron bajo las nuevas condiciones de operación y dimensiones geométricas, mostrando en ambos casos (quemador doméstico e industrial) bajos niveles de NOx respecto a los límites establecidos en sus respectivas normativas.En cuanto a la metodología, cabe destacar que la caracterización inicial y el estudio de la viabilidad del concepto Micromix para calderas se realizó empleando simulaciones numéricas de dinámica de fluidos computacional (CFD) mediante el software ANSYS Fluent, considerando el proceso de combustión en llamas laminares y turbulentas a través de los modelos de reacción de tasa finita y FGM respectivamente. Los cálculos en llamas turbulentas se realizaron siguiendo el enfoque RANS. La validación de los resultados numéricos se llevó a cabo a través de medidas experimentales macroscópicas de temperatura y de emisiones de NOx. Para cada caso de estudio se construyeron prototipos escalados ad-hoc junto con el correspondiente montaje experimental.Parte de los resultados de la presente tesis doctoral han sido publicados en revistas científicas con alto factor de impacto.