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Ccombustión de hidrógeno
Combustión de mezclas de hidrógeno - gas natural aplicada a la cocción de productos cerámicos: emisiones y propiedades de llama*
S. Ferrer(1), E. Monfort(1), R. Pereira(2), M. Gallagher(2), J. Viduna(2), J. Montolio(1), A. Mezquita(1), J. Vedrí(1)
(1) Instituto de Tecnología Cerámica. Asociación de Investigación de las Industrias Cerámicas. Universitat Jaume I, Castellón. España (2) Sociedad Española Carburos Metálicos. Comercial Technology
*Ponencia 64 presentada en Qualicer 2022 (Castellón, 20-21 de junio). Reproducida con autorización.
❖ Resumen
En los próximos años la industria de alta temperatura debe afrontar un reto muy ambicioso para adaptarse a las exigencias de reducción de emisiones de CO2, y esta adaptación solo será posible con grandes cambios tecnológicos, junto a la utilización de fuentes energéticas alternativas. Uno de los elementos que puede contribuir a la descarbonización es el empleo de hidrógeno verde como combustible, con el objetivo de obtener por combustión directa el calor necesario en los procesos de secado y cocción. La gran ventaja de este proceso es que la combustión de hidrógeno no genera emisiones de CO2, pero por contra, el hidrógeno no es una fuente primaria de energía.
En este trabajo se presenta un estudio técnico, sin considerar los aspectos económicos sobre el uso de hidrógeno como combustible. En una primera parte se realiza un estudio teórico de la combustión de mezclas hidrógeno - gas natural, y en la segunda se presentan los resultados experimentales obtenidos en unos ensayos preliminares de combustión hidrógeno-oxígeno en un quemador de oxicombustión específicamente adaptado para este trabajo.
Para el estudio en detalle se ha diseñado una cámara de combustión en la que será posible determinar los principales parámetros de combustión: características geométricas y perfil de temperatura de las llamas, coeficientes de transmisión de calor, así como la composición de los gases de combustión. Los resultados obtenidos serán clave para estudiar, en futuros trabajos, la viabilidad tecnicoeconómica del uso de este combustible en los hornos de la industria cerámica.
Otras palabras clave: NOx, sector cerámico, descarbonización
1. Introducción
El sector cerámico es un sector intensivo en el uso de la energía térmica, obtenida principalmente por la combustión de gas natural, que es una fuente de generación de emisiones de CO2. Es sabido que el CO2 es un gas de efecto invernadero (GEI), por lo que sus emisiones están sometidas a un seguimiento y control a escala internacional, dada su relación con el calentamiento del planeta y, en consecuencia, sobre el cambio climático.
Las tecnologías utilizadas actualmente en el proceso de fabricación de productos cerámicos presentan un elevado grado de madurez, por lo que el margen de reducción de las emisiones directas del proceso es ciertamente limitado. En consecuencia, para cumplir los objetivos de reducción de emisiones tan ambiciosos que se han establecido a escala europea, el sector deberá modificar radicalmente las tecnologías y las fuentes de energía utilizadas en su proceso productivo.
Entre las opciones de descarbonización que están en el porfolio de la industria europea de procesos a alta temperatura, destaca el empleo de hidrógeno como combustible (ya sea solo o mezclado con gas natural), concretamente el denominado hidrógeno verde, que es el que se genera por electrólisis del agua utilizando como fuente energética electricidad de origen renovable. La viabilidad económica de este proceso se basa en utilizar como fuente energética los excedentes de energía eléctrica renovable que fundamentalmente se producen, por los frecuentes episodios de desacople entre la producción y la demanda de energía.
En el caso del sector cerámico, el hidrógeno generado se podría utilizar como combustible sustituyendo parcial o totalmente el gas natural para generar calor a alta temperatura. La gran ventaja de este proceso es que su combustión solo produce vapor de agua, y si la energía para su producción es de origen renovable, su emisión directa asociada de CO2 sería nula o muy reducida, y por tanto de gran interés para alcanzar los objetivos de descarbonización previstos.
No obstante, el uso de hidrógeno como combustible en procesos industriales es una tecnología poco madura desde el punto de vista técnico, que requiere de un estudio de detalle para conocer la influencia que este cambio de combustible puede producir en las reacciones fisicoquímicas que van a sufrir los materiales procesados, los posibles efectos sobre los materiales de construcción de los equipos industriales, así como en las variables de proceso y las emisiones atmosféricas.
Este trabajo se enmarca en una serie de estudios realizados para analizar la viabilidad de las diferentes opciones de descarbonización de la industria cerámica.
2. Objetivo
El objetivo de este trabajo es mostrar los parámetros teóricos de combustión de mezclas de hidrógeno con gas natural, y su impacto en la generación y transmisión de calor, la composición de los gases de combustión resultantes, así como los cambios en el perfil de llama para lograr una cocción de alta eficiencia energética y alta calidad, prestando especial atención a las emisiones generadas.
Los aspectos económicos quedan fuera del alcance del presente trabajo, aunque se considerarán en etapas posteriores del proyecto global.
3. Estudio teórico de la combustión de gas natural e hidrógeno
3.1. Propiedades como combustible del hidrógeno frente al gas natural
En función del origen de las materias primas empleadas se puede distinguir entre hidrógeno azul -o gris-, que se obtiene a partir de fuentes fósiles, y el hidrógeno verde, obtenido a partir del agua utilizando electricidad de origen renovable. Este último sería el único que tiene sentido desde el punto de vista de la descarbonización del proceso.
Independientemente de su origen, el hidrógeno podría utilizarse como combustible en el sector cerámico en aquellos procesos donde en la actualidad se utiliza gas natural. En la Tabla 1 se presentan las características de ambos gases para su uso como combustibles.
La combustión de hidrógeno tiene como principal ventaja con respecto a la combustión de combustibles fósiles que no presenta emisiones de CO2, como puede observarse en las reacciones de combustión detalladas en la Tabla 2.
Aunque cabe resaltar que la combustión de aire con hidrógeno puede generar mayor cantidad de NOx térmico, dado que presenta una mayor temperatura de llama (sobre 170 °C superior), siendo este parámetro muy crítico a partir de temperaturas del orden de 1.400 °C. Las emisiones de NOx presentan valores límite de emisión en las autorizaciones ambientales integradas (variables en función de la etapa de proceso).
De hecho, el desarrollo de quemadores y/o condiciones de operación que reduzcan la formación de NOx en la combustión es uno de los aspectos previstos a estudiar en este proyecto.
Tabla 1: Principales características del gas natural y del hidrógeno
3.2. Estudio teórico de la combustión con aire de gas natural y de hidrógeno
Las Tablas 3 y 4 muestran los productos de combustión procedentes de la combustión del gas natural con aire y de hidrógeno con aire, respectivamente, para diferentes relaciones estequiométricas aire-combustible (n).
En la Tabla 4 se observa que en la combustión de hidrógeno con aire el porcentaje de vapor de agua presente en los gases de combustión aumenta significativamente, casi duplicándose si se comparan con los gases resultantes de la combustión de gas natural. Por ejemplo, para una combustión estequiométrica (n=1) de gas natural e hidrógeno, los valores de vapor de agua son 18,53 y 34,71%, respectivamente (Tablas 3 y 4).
Tabla 3: Productos de combustión (en %) de gas natural con aire según diferentes índices de exceso de aire (base de cálculo: 1 Nm3 de gas natural)
3.3. Combustión con aire de mezclas de metano - hidrógeno
Al añadir hidrógeno al gas natural las propiedades de la mezcla resultante se ven modificadas significativamente. A continuación se muestran los resultados obtenidos de la variación de las propiedades energéticas de mezclas de gas natural con hidrógeno hasta alcanzar una concentración de hidrógeno del 100% en volumen. Los cálculos han sido realizados en condiciones estándares de presión y temperatura (P = 1 atm, T = 273,15 K).
La Tabla 5 detalla los valores obtenidos del poder calorífico superior e inferior de la mezcla resultante, por unidad de volumen, índice de Wobbe y su variación, para las distintas mezclas de gas natural e hidrógeno.
Se ha considerado interesante calcular el índice de Wobbe ya que es un parámetro muy importante cuando se quiere determinar la intercambiabilidad de gases combustibles. Dos gases son intercambiables cuando para un quemador determinado, con las mismas condiciones de suministro (P y T), se mantienen las mismas características de combustión: flujo de calor y comportamiento de la llama.
El índice de Wobbe se utiliza para comparar la energía proporcionada por combustibles gaseosos de diferente composición en un mismo quemador. Dos combustibles que tengan el mismo índice de Wobbe se podrán utilizar en el mismo quemador, sin cambiar las condiciones de operación. Variaciones de hasta un 5% son asumibles sin necesidad de introducir cambios en el quemador, pero variaciones superiores sí requerirán ajustes de los equipos o incluso su cambio.
Se puede observar que el poder calorífico de las mezclas disminuye a medida que se aumenta la cantidad de hidrógeno, es decir, disminuye progresivamente la energía contenida por unidad de volumen, dado que el hidrógeno presenta un menor poder calorífico por unidad de volumen (Tabla 1).
Por ejemplo, se observa que, en condiciones estándares, cuando se alcanza el 10% de hidrógeno en volumen en la mezcla, se provoca una disminución del 7% en el valor del poder calorífico. Si este porcentaje se aumenta al 50% de hidrógeno en volumen en la mezcla, el poder calorífico se reduce en un 35%.
Con respecto a la intercambiabilidad hay que indicar que, según los valores de la tabla y tomando como criterio una tolerancia en la variación del índice de Wobbe del 5%, la incorporación de hasta un 20% de hidrógeno en volumen al gas natural permitiría trabajar con los mismos quemadores y sistema de combustión. Para porcentajes superiores se deberían realizar modificaciones, e incluso cambios en el diseño de los quemadores.
Tabla 5: Poder calorífico superior e inferior por unidad de volumen, índice de Wobbe y su variación, para distintas mezclas de gas natural e hidrógeno
3.4. Variación en la composición de los gases de combustión del horno en función del porcentaje de hidrógeno en la mezcla
Al utilizar mezclas gas natural - hidrógeno la composición de los gases de combustión resultante se ve significativamente modificada. En la Figura 1 se muestra cómo varía la composición de los gases formados en la combustión completa (CO2, H2O) para distintas mezclas de gas natural e hidrógeno.
De la observación de la figura cabe resaltar los siguientes aspectos:
Para disminuir significativamente las emisiones de CO2 se deben utilizar mezclas muy ricas en hidrógeno, debido a su bajo poder calorífico. Por ejemplo, se observa que al añadir un 10% de hidrógeno en volumen a la mezcla de gas natural únicamente se reduce un 2,52% el CO2 generado. Para alcanzar una reducción del orden del 50% del dióxido de carbono se requiere utilizar mezclas con más del 80% de hidrógeno. Otro aspecto importante que considerar es la variación en el porcentaje de vapor de H2O en la cámara de la combustión.
Figura 1: Variación de la composición de los productos de combustión completa (CO2, H2O) y variación del índice de Wobbe para distintas mezclas de gas natural e hidrógeno
El uso de mezclas ricas en hidrógeno conlleva un enriquecimiento en vapor de agua en los gases de combustión. Por ejemplo, en una mezcla al 50% de hidrógeno, el incremento de vapor de H2O es del 17,67%, si se compara con el generado durante la combustión de gas natural. En caso de trabajar con hidrógeno al 100%, el incremento en el porcentaje de vapor de agua en los productos de combustión alcanzaría un 87,34%. Los efectos que tendrá el incremento de la cantidad de vapor de agua, tanto en el producto como en el refractario, son difíciles de predecir teóricamente y, por tanto, serán necesarios estudios experimentales para evaluar su efecto.
4. Estudio experimental preliminar de combustión de mezcla de gas natural e hidrógeno
4.1. Quemadores de hidrógeno Cleanfire® HRx™
En este proyecto se está trabajando en adaptar el quemador de Air Products Cleanfire® HRx™, para poder trabajar con hidrógeno, tanto para ser usado en el sector cerámico como el de fritas. Se trata de un quemador oxicombustible (combustión de oxígeno) de llama plana diseñado originalmente para la industria del vidrio (Figura 2). Tiene varias características clave que incluyen hasta un 95% de capacidad de direccionamiento del oxígeno, un modo de reducción de espuma para mejorar la absorción de calor en los hornos, bajas emisiones de NOx y sensores opcionales para el monitoreo remoto del rendimiento. El bloque del quemador HRx tiene tres pórticos de salida; un pórtico precombustor central donde el combustible y el oxígeno primario inician la combustión y la llama se forma y se estabiliza, y dos pórticos de direccionamiento del oxígeno, superior e inferior.
Una de las capacidades destacables del quemador es que puede controlar direccionalmente la introducción de oxígeno, lo que permite desviarse a través de los pórticos superior o inferior (o bien divididos entre ambos) que rodean el precombustor primario. Los modos de “staging” de oxígeno incluyen el modo “Foam Control” para control de espuma, el modo “Melt” para fusión y el modo “Split” para división del “staging”. Dicho control direccional del oxígeno por etapas proporciona varios beneficios, incluido el ajuste de la longitud, el régimen y la luminosidad de la llama.
La Figura 3 muestra los distintos modos de funcionamiento del quemador HRx.
Figura 2: Imagen del quemador Cleanfire® HRx™ con detalle de la cara caliente del bloque quemador
El funcionamiento por etapas o “staging” de oxígeno se realiza para evitar la formación de NOx, al retrasar el mezclado del oxígeno y del combustible, lo que resulta en una temperatura máxima de llama más baja, en las zonas donde se produce la mayor parte de NOx térmico. El quemador está equipado con una válvula, llamada válvula de O2 primario, que controla la cantidad de oxígeno primario que fluye a través del pórtico principal del quemador, así como el oxígeno secundario que se alimenta de forma selectiva y direccional, de forma que se distribuye de forma independiente a los diferentes pórticos del bloque quemador.
Split mode. En el modo “Split” se dirige una cantidad igual de oxígeno a los pórticos de direccionamiento de oxígeno superior e inferior. Esto da como resultado una llama más corta, más brillante y más estable. El modo “Split” puede ser especialmente útil en ubicaciones turbulentas de hornos de oxicombustión (por ejemplo, cerca de la chimenea) y para aplicaciones de refuerzo con oxicombustión.
Melt mode. En el modo de fusión, el oxígeno se dirige al pórtico de direccionamiento de oxígeno inferior del bloque del quemador, que se encuentra debajo de la llama principal. La llama desarrollará una superficie inferior brillante debido a la radiación térmica causada por la combustión localizada del oxígeno direccionado con los gases en la superficie inferior de la llama. La alta radiación producida en el modo de fusión se dirige hacia abajo, hacia la superficie del material y se ha demostrado que puede acelerar el proceso de fusión en la producción de vidrio.
Foam control mode. En el modo de control de espuma, el oxígeno se dirige al pórtico de direccionamiento de oxígeno superior del bloque quemador, que está por encima de la llama principal. La llama resultante parece estar cubierta de hollín en su borde inferior, que contiene gases reductores con concentraciones significativas de CO. La atmósfera reductora creada por la llama se extiende por encima de la superficie del material y actúa para disipar la espuma en la superficie del vidrio.
4.2. Ensayos con hidrógeno
Se han realizado ensayos experimentales con el quemador Cleanfire® HRx™ usando diferentes mezclas de hidrógeno con gas natural, desde 100% gas natural hasta 100% con H2, utilizando principalmente oxígeno como comburente.
Para trabajar con hidrógeno, se realizaron pequeñas modificaciones en la configuración del quemador y se observaron las características de la llama, como su forma y luminosidad. La Figura 3 muestra un ejemplo de cómo la relación de mezcla de gas natural/H2 afecta a estas características.
Como se puede observar en la Figura 4, a medida que se aumenta el contenido de hidrógeno en la mezcla, la luminosidad
Figura 4: Imágenes de la llama del quemador Cleanfire® HRx™ con diferentes mezclas volumétricas de hidrógeno-gas natural
Instituto de Tecnología Cerámica
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de la llama disminuye. Cuando alcanza el 100% de hidrógeno la llama parece casi invisible.
La forma de la llama también cambia al aumentar el hidrógeno. En este caso, la longitud de la llama disminuye debido a la mayor velocidad de reacción de la combustión. El impacto que puede tener este nuevo perfil de liberación de calor, con llamas más cortas, debe tenerse en consideración, para asegurar una óptima transferencia de calor al producto.
Cabe indicar que durante las pruebas experimentales no se observaron efectos de degradación en la cámara de combustión ante la nueva atmósfera generada, y tampoco se observaron puntos calientes en la cara del bloque del quemador.
5. Conclusiones
Los resultados de este estudio muestran que la sustitución del gas natural por hidrógeno implicará la adaptación y/o sustitución de los quemadores o equipos actuales, dadas las especiales características del hidrógeno.
Por lo tanto, en los futuros trabajos se debe:
• Invertir en el desarrollo de nuevos quemadores de hidrógeno de las dimensiones y potencia requeridas en el sector cerámico. • Trabajar en minimizar la formación de NOx durante la combustión de hidrógeno con aire. • Estudiar su adaptación a las características del proceso.
Será necesario realizar un estudio en profundidad para conocer el comportamiento de los materiales cerámicos procesados, así como de los materiales constructivos del horno, ante la sustitución de gas natural por hidrógeno, con la nueva atmósfera generada en el horno. • Prestar especial atención a la calidad del producto final, pues en la cocción de baldosas cerámicas se ve muy influenciada por la forma y características de las llamas. • Analizar los efectos del incremento de la cantidad de vapor de agua generados en la combustión, que son difíciles de predecir.
6. Consideraciones finales
Este estudio forma parte de un proyecto en desarrollo, en el caso de ser seleccionado para su exposición, se expondrán los resultados adicionales de los que se disponga.
7. Agradecimientos
Este trabajo forma parte de las actividades desarrolladas en el proyecto “Estudio experimental a nivel de laboratoriopiloto de la cocción de materiales cerámicos utilizando hidrógeno como combustible (HIDROKER)”, financiado por la Generalitat Valenciana a través del Instituto Valenciano de Competitividad Empresarial (IVACE). ◆
www.qualicer.org
Bibliografía
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