Thesis:

Investigación numérico-experimental de la combustión de metano-amoniaco en un reactor de medio poroso de flujo recíproco

El amoniaco (NH3) se prevé con un rol protagonista en la transición energética ya que su combustión completa no emite CO2, a diferencia de los combustibles fósiles que, en 2022, el sector energía en Chile emitió cerca de 85.000 kt CO2 eq debido a la quema de estos. Una de las tecnologías para disminuir emisiones desde procesos de combustión, es el uso de medios porosos inertes (MPI). Además, la utilización de un reactor de flujo recíproco (RFR) con MPI, a diferencia de los quemadores tradicionales, permiten aprovechar la recuperación de calor de los gases de salida obteniendo mayores eficiencias (95% vs 75% en quemadores tradicionales) y una combustión superadiabática. En este trabajo numérico-experimental se estudia la distribución de temperatura en un reactor de flujo recíproco con medios porosos y las emisiones gaseosas de monóxido de carbono (CO), dióxido de carbono (CO2), óxidos de nitrógeno (NOx), hidrógeno (H2) y amoniaco no quemado (NH3) frente a la variación de la relación de equivalencia (φ) y la fracción molar de amoniaco en mezcla con metano (xNH3). Para la metodología experimental se utilizó un banco de pruebas con un quemador de flujo recíproco de 305 mm de longitud y 60 mm de diámetro interno con espuma cerámica de ZrO2 y SiC (83% porosidad) como medio poroso en el interior y 30 segundos de cambio recíproco. Se poseen 9 puntos equidistantes para la toma de temperatura a lo largo del reactor, mientras que para la medición de emisiones se utilizó un analizadorde gases de combustión y uno de amoniaco. En cuanto a lo numérico, se utilizó el software comercial ANSYS Fluent representando el fenómeno mediante una simulación unidimensional, de tipo transiente y una cinética reducida de 45 especies y 419 reacciones. Dentro de los resultados más relevantes observados está el efecto de la adición de amoniaco xNH3=0.2 que genera mayores temperaturas en todo el rango de φ en contraste a utilizar solo metano, obteniendo una temperatura máxima de 1791K para xNH3=0.2 y φ=1.0. En cuanto a las emisiones, frente al aumento de amoniaco en mezcla, se observaron disminuciones promedio del 28% y 46% para CO y CO2, respectivamente, mientras que las emisiones de NOx alcanzaron valores máximos de 1000 ppm para xNH3=0.4 y φ=0.9. En base al trabajo realizado, se busca continuar la investigación con geometrías más complejas y escalamiento de la tecnología, esto debido a que se debe seguir investigando el desarrollo de tecnologías carbono neutrales para un futuro más sostenible.

Ammonia (NH3) is expected to play a leading role in the energy transition because its complete combustion does not emit CO2, unlike fossil fuels. In 2022, the energy sector in Chile emitted approximately 85,000 kt CO2 eq due to the burning of fossil fuels. One technology for reducing emissions from combustion processes is the use of inert porous media (IPM). Furthermore, the use of a reciprocating flow reactor (RFR) with IPM, unlike traditional burners, allows for heat recovery from the exhaust gases, resulting in higher efficiencies (95% vs. 75% in traditional burners) and superadiabatic combustion. This numerical-experimental study investigates the temperature distribution in a reciprocating flow reactor with porous media and the gaseous emissions of carbon monoxide (CO), carbon dioxide (CO2), nitrogen oxides (NOx), hydrogen (H2), and unburned ammonia (NH3) in relation to variations in the equivalence ratio (φ) and the mole fraction of ammonia in a mixture with methane (xNH3). The experimental methodology employed a test bench with a reciprocating flow burner measuring 305 mm in length and 60 mm in internal diameter, containing ZrO2 and SiC ceramic foam (83% porosity) as the porous medium, with a 30-second reciprocating exchange. Nine equidistant temperature points were established along the reactor, while combustion gas analyzers and ammonia analyzers were used to measure emissions. In terms of numerical data, the commercial software ANSYS Fluent was used to represent the phenomenon through a one-dimensional, transient simulation with reduced kinetics for 45 species and 419 reactions. Among the most relevant results observed is the effect of adding ammonia (xNH3=0.2), which generates higher temperatures across the entire φ range compared to using only methane, reaching a maximum temperature of 1791 K for xNH3=0.2 and φ=1.0. Regarding emissions, with increasing the ammonia content in the mixture, average decreases of 28% and 46% were observed for CO and CO2, respectively, while NOx emissions reached maximum values ​​of 1000 ppm for xNH3=0.4 and φ=0.9. Based on this work, further research is planned using more complex geometries and scaling up the technology, as continued investigation into the development of carbon-neutral technologies is essential for a more sustainable future.