Recibido: 29 de octubre de 2018
Aceptado: 23 de agosto de 2019
El aumento de la demanda energética, así como de las emisiones contaminantes ha generado un incremento de la investigación de tecnologías que permitan mitigar ambas problemáticas a nivel mundial. Dentro de las alternativas para mejorar la eficiencia de los procesos térmicos, el régimen de combustión sin llama se presenta como una de las alternativas más promisorias, puesto que permite obtener altos valores del rendimiento térmico mediante el mejoramiento de la transferencia de calor y del proceso de combustión, con la consiguiente reducción de las emisiones contaminantes. Debido a esto, en el presente estudio se realiza una revisión del estado del arte de dicha tecnología, haciendo énfasis en los aspectos fenomenológicos asociados, las principales características del régimen y su estabilidad, pasando por los mecanismos de obtención y la presentación de una serie de estudios, tanto a nivel nacional como internacional, en los que se utilizaron combustibles fósiles y alternativos. La revisión finaliza con la discusión de algunos casos en los cuales se ha implementado el régimen a nivel industrial.
Palabras clave: Combustión sin llama, combustión diluida, interacción turbulencia/ química, emisiones contaminantes, combustibles alternativos.
The increasing energy demand and polluting emissions have generated a growing number of studies into technologies that can be used to mitigate both problems worldwide. Among the alternatives for improving the efficiency of thermal processes, the flameless combustion regime has been presented as one of the most promising options because it enables high thermal performance by enhancing heat transfer and the combustion process, with the consequent reduction in polluting emissions. For that reason, this article reviews the state of the art of said technology, emphasizing the associated phenomenological aspects, the main characteristics of the regime, its stability, the mechanisms to obtain it, and a series of national and international studies in which fossil and alternative fuels were used. Finally, some cases in which such regime has been implemented at the industrial level are discussed.
Keywords: Flameless combustion, Diluted combustion, Turbulence-Chemistry Interaction, Polluting Emissions, Alternative Fuels.
La demanda energética mundial ha venido creciendo en los últimos años de forma acelerada y se proyecta que dicho comportamiento continuará así en las próximas décadas. De acuerdo con la Agencia Internacional de la Energía (IEA por sus siglas en ingles), se espera que esta aumente en un 14.6 % para el año 2020 y un 48 % para el 2040, respecto a los niveles presentados en el 2012, lo que se traduce en un aumento de 266 cuatrillones de BTU [
De acuerdo a lo anterior, el alto nivel de consumo energético está ligado de forma directa a la emisión de gases de efecto invernadero. Precisamente este hecho ha generado que la concentración promedio de CO2 en la atmosfera alcance niveles de 400 ppm, lo que representa un 40 % más respecto a los niveles de la era pre-industrial [
Estos hechos han generado un endurecimiento de las políticas mundiales sobre el cuidado del medio ambiente a partir del control de emisiones, lo que a su vez ha generado la búsqueda de tecnologías mucho más limpias y eficientes, de forma tal que se reduzcan las emisiones contaminantes y el consumo de combustibles. Dentro de esta búsqueda de nuevas tecnologías, ha surgido la denominada combustión diluida, que presenta un alto potencial en términos de la problemática descrita. El principio básico de esta tecnología es la recirculación interna de los productos de combustión para obtener una reacción diluida y distribuida donde no existe una llama definida, razón por la cual también se denomina combustión sin llama. Esa dilución genera que los picos de temperatura producidos durante la reacción sean mucho menores que los obtenidos en los procesos tradicionales, además permite la reducción de las emisiones contaminantes como los extremadamente nocivos NOx [
Por otra parte, esta nueva tecnología permite alcanzar eficiencias muy altas que son obtenidas debido, no solo al mejoramiento de los procesos de combustión y transferencia de calor, sino que además pueden combinarse con tecnologías como los quemadores regenerativos de forma tal que la eficiencia global alcanzada es mucho más alta, disminuyendo los consumos de combustible y por lo tanto ayudando a la conservación del medio ambiente. Otra de las grandes ventajas de esta tecnología radica en el hecho de que en su implementación en plantas industriales puede hacerse sin realizar cambios drásticos en las infraestructuras establecidas [
Si bien, a la fecha, algunos fabricantes y firmas de ingeniería comercializan y han instalado proyectos exitosos donde el principal componente es un quemador en el régimen de combustión sin llama, aún existe un gran desconocimiento de los aspectos técnicos, científicos y económicos de esta técnica de combustión. Lo que se convierte en la principal barrera para una implementación más activa de la combustión sin llama, especialmente en industrias de países en vía de desarrollo.
Al necesitar para su realización y estudio de conceptos ingenieriles y científicos desarrollados en los últimos años, la combustión sin llama podría parecer a primera vista un proceso extremadamente complejo. Adicionalmente, los investigadores se han enfocado en estudiar los diversos aspectos que influyen en esta, tanto de forma experimental como numérica, dando lugar a un gran volumen de información que resulta difícil de manejar e implementar.
Debido al potencial que tiene esta tecnología y a la influencia que puede llegar a tener en el sector energético, se hace pertinente una recopilación donde se abarquen no solo los aspectos teóricos, ventajas, desventajas y funcionamiento, en comparación de los procesos de combustión convencional, sino también su aplicación en temas de interés a la fecha, como lo es la utilización de combustibles alternativos. Además, se hace necesario poder identificar hacia dónde se están encaminando los nuevos estudios de este régimen de combustión, de forma tal que se tenga una mejor perspectiva sobre el mismo. Este es precisamente el objetivo principal del presente artículo en el cual, a partir de una revisión bibliográfica, se espera brindar una herramienta base para continuar no solo los estudios fenomenológicos de esta técnica sino también apoyar los procesos de implementación, especialmente en el contexto nacional y de América Latina.
La presente revisión inicia con la definición técnica de la combustión sin llama y sus principales características, pasando por los diferentes métodos de obtención, seguido de una recopilación de estudios, tanto con combustibles fósiles como alternativos en estado gaseoso, un análisis en los modelos para la interacción de turbulencia y cinética química y cierra con un escenario de posibles aplicaciones. Se espera que esta revisión sirva de instrumento para que los diferentes investigadores e ingenieros en combustión puedan tener una base del estado actual de esta tecnología y potenciar así nuevos desarrollos e investigaciones, tanto a nivel experimental como numérico.
2.1 Principio de funcionamiento
El régimen de combustión sin llama surge como una alternativa para reducir las emisiones de NOx a través de la recirculación de gases de combustión, lo que genera una reducción de la temperatura de operación y, por tanto, una disminución considerable de la formación de estos contaminantes por vía térmica [
Esta técnica consiste en la descarga de los reactivos a una alta velocidad dentro de la cámara de combustión en la que se encuentran gases de combustión a una temperatura superior a la temperatura de autoignición del combustible. Los chorros descargados arrastran gases de combustión debido al alto impulso con el que ingresan a la cámara y, de esta forma, tanto combustible como oxidante, se mezclan con ellos, dando como resultado una dilución de ambas corrientes.
Debido a esta dilución, el mezclado entre los gases de combustión y el combustible, así como entre el oxidante y los productos, tiene lugar antes de que se llegue a mezclar el combustible con el oxidante [
2.2 Combustión sin llama dentro del régimen pobre
La combustión en régimen pobre se define como aquella en la que se excede la cantidad teórica de aire necesaria para llevar a cabo una combustión completa, de forma tal que el combustible dispone de mucho más oxidante para reaccionar.
En la caracterización de un proceso de combustión la temperatura es el parámetro más representativo [14], por lo cual los procesos de combustión en régimen pobre pueden clasificarse respecto a este parámetro. Sin embargo, dado que en un proceso de combustión se presentan diferentes temperaturas características, se hace necesario definir las más relevantes para catalogar dichos procesos. Tin es la temperatura promedio de entrada de la mezcla reactiva, Tmax es la temperatura máxima alcanzada en el sistema y finalmente `Tsi` es la temperatura de autoignición [
Adicionalmente, para los tipos de combustión en régimen pobre es necesario definir dos cambios de temperatura `∆TINLET` y `∆TMAX`, el primero corresponde a la diferencia entre Tin y `Tsi` mientras que el segundo es la resta entre `T`max y Tin . Con base en estos parámetros es posible definir dos categorías de combustión en régimen pobre, tal como se muestra en la Fig. 1a Cuando `∆TINLET` es negativo, es necesaria una fuente de energía externa para que se inicie y se propague la combustión, esta categoría se define como combustión asistida.
En el caso cuando los valores de `∆TINLET` son positivos se tiene una temperatura promedio de entrada mayor de `Tsi`, de forma tal que la combustión se da por autoignición sin necesidad de fuentes de energía externas. Ahora bien, esta última categoría puede subdividirse de acuerdo al valor de `∆TMAX` que se obtiene durante la operación (Es posible usar como parámetro de división directamente temperatura de autoignición, `Tsi`) [
Para incrementos `∆TMAX` superiores a `∆TIGN` o `Tsi` se tiene una zona denominada de combustión de alta temperatura (HiTac por sus siglas en inglés), mientras que para incrementos menores se tiene la zona de combustión moderada e intensa con bajo contenido de O2, por dilución (MILD por sus siglas en inglés) o combustión sin llama (flameless) [
2.3 Estabilidad de la combustión sin llama
Los dos principales factores que inciden en la estabilidad del régimen de combustión sin llama son la temperatura del sistema y la cantidad de gases recirculados que generan la dilución de los reactivos y permiten la formación de una mezcla tripartita (combustible, oxidante y gases de combustión). Por una parte, la temperatura del ambiente donde son descargados los reactivos debe ser superior a la temperatura de autoignición de la mezcla para garantizar el inicio de la reacción.
Además, es necesaria una adecuada dilución de los reactivos que permita obtener una baja tasa de reacción, dando origen a la zona de reacción distribuida, además de garantizar que el incremento máximo de temperatura no supere el límite establecido, como se explicó en la sección anterior. Esto se logra generalmente mediante la recirculación de productos de combustión dentro del dispositivo mediante los torbellinos generados por la descarga a alta velocidad de la corriente de oxidante y combustible [
De esta forma se evidencia la importancia de la cantidad de gases recirculados en la obtención del régimen de combustión sin llama [
`K_v=m ̇_r/(m ̇_o+m ̇_f ) ` (1)
La Fig. 2b muestra los diferentes modos de combustión que pueden obtenerse a partir de una temperatura en el horno y una determinada cantidad de gases recirculados agrupados dentro del factor de recirculación.
La región A corresponde a la combustión convencional donde siempre se tienen llamas visibles y estables, la región B está compuesta por llamas desprendidas que finalmente pueden terminar extinguiéndose si la temperatura es muy baja, en esta zona las llamas son inestables y puede considerarse como una zona de transición hacia la combustión sin llama[
Finalmente, la región C agrupa las condiciones estables para el régimen de combustión sin llama. Es claro que se necesita un factor de recirculación mínimo de 3 [
Aunque de acuerdo al diagrama puede pensarse en utilizar valores del ` Kv` muy altos con el fin de evitar la zona de transición y obtener el régimen estable con facilidad, los valores muy altos generan un régimen de combustión sin llama inestable donde la producción CO aumenta, debido a las excesivamente bajas concentraciones de O2que darían origen a una disminución de la tasa de reacción y por lo tanto en la conversión a CO2 [
En la Fig. 3 se aprecia la concentración de CO en función del factor de recirculación para un quemador alimentado con gas natural (Fig.3a) y biogás (Fig. 3b). En ambos casos se evidencian claramente dos zonas donde se presentan incrementos abruptos de CO. La primera zona denominada “a” corresponde a la transición del modo de combustión convencional al modo de combustión sin llama, donde se supera el valor mínimo para la recirculación y la cantidad de CO cae para valores mayores, puesto que el régimen se estabiliza.
Sin embargo, si ` Kv` se incrementa se llega nuevamente a un punto donde la concentración de CO aumenta considerablemente, zona “b”, producto de lo mencionado con anterioridad: el alto grado de dilución genera la extinción local de la reacción y, por lo tanto, se obtiene una combustión incompleta.
Tal como se ha mencionado, la dilución es de vital importancia para la obtención y estabilidad del régimen y esta se obtiene mediante la recirculación generada por los chorros descargados, lo que hace que su velocidad de descarga sea uno de los parámetros más importantes; velocidades de inyección muy bajas no permiten una dilución suficiente y pueden generar que el régimen se sitúe en la zona de transición [
Finalmente, otro de los factores importantes en la estabilidad del régimen son las pérdidas de calor a través de las paredes: una perdida excesiva de calor puede generar apagados locales y, por lo tanto, suprimir la reacción [
2.4 Estructura de la zona de reacción
La zona de reacción dentro del régimen de combustión sin llama se caracteriza por una fuerte interacción entre el mezclado turbulento y las reacciones químicas; esto se refleja en números de Damkholer cercanos a 1, debido al incremento en los tiempos químicos producto de la alta dilución de los reactivos [24].
Tal como se mencionó anteriormente el régimen de combustión sin llama se caracteriza por no presentar un frente de llama localizado y luminoso (Ver Fig. 4). Por el contrario, presenta una reacción distribuida dentro de la cámara de combustión producto de la reducción en la tasa de reacción, la cual tiene un volumen mucho mayor en comparación a la zona en una combustión convencional.
La Fig. 5. muestra un esquema de la zona de reacción convencional y la forma que esta puede tener en condiciones de combustión sin llama, evidenciando el incremento de la misma bajo dichas condiciones. De esta forma se puede establecer que la reacción en el régimen de combustión sin llama se da de forma volumétrica y, por lo tanto, su volumen es mucho mayor al que puede tener el frente de llama de un sistema de combustión convencional. De acuerdo a lo reportado por Yang y Blasiak [
Varios estudios, tanto numéricos como experimentales, se han llevado a cabo a partir de los contornos de radicales como CH, OH y especies como CO, y se ha demostrado la naturaleza extendida de la zona de reacción en condiciones de combustión sin llama, en comparación con la combustión convencional [
Precisamente, debido a esta reacción distribuida, los perfiles de temperatura y especies que se obtienen dentro del régimen de combustión sin llama son mucho más uniformes en comparación al caso de la combustión convencional. La Fig. 6. muestra un esquema típico de los perfiles de temperatura, combustible y oxigeno dentro de la zona de reacción para la combustión sin llama y la combustión convencional.
Es evidente la uniformidad que se tiene en la temperatura, así como el consumo paulatino de los reactivos, cuando se opera en combustión sin llama. Ahora bien, las temperaturas en este régimen no solo se caracterizan por su uniformidad, sino por sus bajas fluctuaciones, a pesar de las condiciones turbulentas del flujo; mientras en combustión convencional se tiene variaciones temporales de más de 100 °C en un mismo punto, en combustión sin llama se pueden alcanzar fluctuaciones inferiores a 4 °C.
La Fig. 7 ilustra lo mencionado anteriormente, donde se visualizan las altas fluctuaciones de la combustión convencional y la uniformidad temporal de la combustión sin llama. Las posiciones de medición corresponden a la ubicación de la máxima temperatura promedio en cada caso [
La estabilidad en la zona de reacción para el régimen de combustión sin llama también se evidencia en las fluctuaciones asociada con la concentración de las especies y radicales en una posición determinada, contrario al caso de la combustión convencional donde estas presentan altas variaciones [
De manera análoga a la temperatura, los perfiles de especies como CO, O2, CO2 y H2 así como los radicales OH y CH en el régimen de combustión sin llama tienen una forma distribuida producto de la reacción no concentrada[
2.5 Emisiones
Una de las características más importantes de la combustión sin llama son sus bajas emisiones contaminantes, en particular lo referente al CO y NOx. A pesar de que es común utilizar regeneración de calor para obtener el régimen, la alta dilución a la que son sometidos los reactivos hace que las temperaturas alcanzadas sean menores y por lo tanto la vía térmica en la formación de NOx (Mecanismo de Zeldovich) es prácticamente suprimida, reduciendo así las emisiones de estos contaminantes. En cuanto a la emisión de CO, esta se ve reducida debido a la amplia zona de reacción, lo que garantiza una combustión completa [
2.6 Transferencia de calor
De forma análoga a los procesos de combustión convencional, la transferencia de calor en un sistema que opera bajo el régimen de combustión sin llama se da principalmente por radiación. Sin embargo, el proceso como tal difiere en ambos casos; cuando se tiene un horno operando con combustión sin llama la ausencia del frente de llama luminoso hace que la transferencia de calor por radiación directa, desde la zona de reacción hacia la carga, sea menor que la producida por el modo convencional; no obstante, la radiación incidente hacia la carga es mayor [
De esta forma, aunque el calor liberado por unidad de volumen es menor en el régimen de combustión sin llama, la transferencia de calor hacia la carga se mejora. Este efecto se ilustra en la Fig. 8 y fue observado en el trabajo desarrollado por Rafidi y Blasiak [
Tal como se mencionó en la sección de estabilidad, la principal característica para alcanzar el régimen en términos operativos es la descarga de los reactivos a una alta velocidad dentro de una atmosfera de alta temperatura, para garantizar la dilución adecuada y el inicio de la reacción por autoignición. A nivel práctico es común el uso de quemadores duales para alcanzar el régimen. Estos quemadores pueden operar en modo de combustión convencional y en modo de combustión sin llama, dependiendo de la forma en la que se descarguen los reactivos. Ver Fig. 9.
El modo llama se usa para calentar la cámara de combustión y poder alcanzar el régimen de combustión sin llama posteriormente. Este procedimiento puede hacerse básicamente de dos maneras: progresiva y súbita [
La primera consiste en iniciar la operación con un quemador dual, en su modo de combustión convencional, hasta alcanzar una temperatura superior a la de autoignición del combustible y, de forma progresiva, cambiar el tipo de descarga de los reactivos pasando a combustión sin llama, hasta que finalmente solo se descargue combustible en este modo. La segunda manera consiste en un cambio súbito: se opera el quemador en modo llama hasta que se alcance la temperatura deseada y de manera controlada se da el cambio de forma que los reactivos se comienzan a descargar en su totalidad por los puertos destinados para el modo de combustión sin llama; esta última manera es común-mente más utilizada por motivos de seguridad [
Para ilustrar de una forma más detallada dicho proceso debe considerarse el quemador descrito por Wünning y Wünning [
Cuando el quemador comienza a operar en modo convencional, el combustible ingresa por la sección de alimentación 1 y es descargado en la boquilla 4 dentro de la cámara de combustión primaria 5 y el aire se suple por medio de 2 también a la cámara, de esta forma la premezcla se descarga y, mediante un sistema de ignición (chispa eléctrica), se obtiene una llama convencional. Cuando el ciclo térmico finaliza y la temperatura es lo suficientemente alta, esta, por seguridad, se toma 100°C por encima de la temperatura de autoignición, entonces la válvula que suple el aire en 2 es cerrada y el aire es ingresado por 3 hacia las boquillas 6 que están ubicadas de forma concéntrica a la cámara de combustión 5, de forma tal que el aire y el combustible son descargados de manera separada y alejada.
De esta manera el chorro de aire A y el de combustible B aspiran productos de combustión de los alrededores D, con lo que la zona de reacción C comienza a aparecer únicamente cuando el oxidante y combustible se encuentran en una zona alejada de las boquillas de descarga, dando lugar a una zona distribuida a lo largo de la cámara. Aunque el diseño puede tener ligeras variaciones en la forma de las descargas, este es el principio de funcionamiento de los quemadores duales para obtener el régimen de combustión sin llama. En la Fig. 11 se muestra la evolución de la temperatura y la concentración de diferentes especies químicas (CO, NO y O2) al interior de la cámara de combustión, desde el estado frio del horno, hasta la obtención del régimen de combustión sin llama, como se evidencia en el trabajo desarrollado por Cho et al. [
Una vez alcanzada la temperatura deseada se realiza el cambio en el quemador, el cual en el modo de combustión convencional descarga el combustible de forma radial en la cámara de mezclado por donde se transporta el aire; posteriormente la premezcla ingresa en la cámara de combustión, como se muestra de forma esquemática en la Fig. 12a.
En el modo de combustión sin llama el combustible es descargado directamente en la cámara de combustión a una alta velocidad que permite, de esta forma, la dilución y el alcance del régimen. En este caso es el combustible el que cambia la forma de descarga y no el oxidante. En la Fig. 12b se puede apreciar además la reducción en la concentración de CO, NO y O2, cuando se realiza el cambio al modo sin llama, esto producto de la dilución de los reactivos y el establecimiento de la zona de reacción distribuida.
Diversos estudios se han realizado en el área de combustión sin llama desde comienzos de la década de 1990. Wünning y Wünning [
Las características térmicas cuando se usa C3 H8 , CH4 y C2 H2 en un horno equipado con quemadores regenerativos fueron estudiadas por Gupta [
Sin embargo, no fue posible la desaparición total del frente de llama y se evidenciaron llamas de un color verdoso cuando se utilizó una baja concentración de O2y C3 H8 como combustible, de forma tal que los experimentos se situaron el régimen HiTAC. Para el caso del CH4 en bajas concentraciones de O2(2 % en volumen) la desaparición completa del frente de llama fue total, mientras que cuando se usó acetileno, esto solo fue posible cuando se utilizó CO2 como diluyente.
Yang y Blasiak realizaron diferentes trabajos numéricos y experimentales para analizar la longitud, el volumen y la cantidad de gases recirculados en la zona de reacción, así como la uniformidad de los campos térmicos bajo condiciones de combustión sin llama en diferentes configuraciones, usando gas licuado del petróleo (GLP) como combustible [
Rafidi y Blasiak [
Dentro del ámbito nacional el grupo GASURE de la Universidad de Antioquia, realizó una amplia revisión sobre los modelos de simulación usados en combustión sin llama [
Como producto de este desarrollo, Amell et al. [
Narayanan et al. [
También se evidenció mayor uniformidad, tanto en la temperatura como en el flujo de calor por unidad de área generado por radiación.
Galletti et al. [
En los últimos años se han llevado a cabo estudios sobre el efecto de la dilución previa del combustible y el oxidante para alcanzar la combustión sin llama. Khazaei et al. [
Con el fin de buscar una implementación adecuada a nivel industrial y además optimizar el uso de este tipo de combustión, se han llevado a cabo estudios numéricos y experimentales sobre los efectos del posicionamiento de los quemadores dentro de hornos, operando bajo el régimen de combustión sin llama. Danon et al. [
Posteriormente, estos mismos autores llevaron a cabo un estudio numérico para obtener una explicación detallada de las variaciones encontradas experimentalmente; la comparación con los datos numéricos evidenció un adecuado acuerdo entre estos, permitiendo así la validación de los modelos. En particular, encontraron que el flujo a través de los tubos de enfriamiento del horno debe modelarse como un flujo laminar, debido a los bajos números de Reynolds para obtener una adecuada reproducción de los datos experimentales [
Aunque en un principio para la obtención del régimen de combustión sin llama se pensó que era necesaria la descarga de los reactivos de manera separada, con el fin de que estos se diluyeran antes de encontrarse y de esta forma obtener una zona de reacción distribuida, debido a la baja concentración de O2 en la mezcla tripartita, en los últimos años se ha comenzado a estudiar el régimen descargando de forma mezclada el combustible y el oxidante de manera análoga a una llama de premezcla.
En esta área particular los estudios adelantados de forma conjunta por la Universidad de Pekín y Adelaide han sido de gran relevancia; en ellos se evaluó la incidencia de la cantidad de movimiento lineal inicial numérica y experimentalmente para diferentes condiciones de premezcla (parcial y total) [
Li et al. [
De forma mas reciente, Li et al. [
Para el caso en que los reactivos se descargaron de forma premezclada, los puntos de operación se ubicaron en el diagrama de Borghi, situando la combustión sin llama en la región denominada “Flamelets in eddies”, en particular, en la zona correspondiente a los motores de encendido provocado. Sin embargo, este último hecho puede ser controvertido, dado que las características de combustión en estos dispositivos difieren de la combustión sin llama, lo cual requiere un análisis más detallado. Todos los estudios mencionados en régimen de premezcla han sido llevados a cabo utilizando gas natural como combustible.
En la misma línea de optimizar el proceso de combustión bajo el régimen sin llama, Tu et al. [
Lupant y Lybert [
Dada la importancia de optimizar e implementar la tecnología de combustión sin llama, algunos autores han enfocado sus estudios en determinar parámetros de operación que permitan mejorar los procesos, como es el caso del trabajo desarrollado por Hu et al. [
Recientemente Tu et al. [
En este sentido, y con el objetivo de tener un efecto sinérgico al combinar oxicombustión con el régimen de combustión sin llama, Xie et al. [
Producto de la dilución en el régimen de combustión sin llama se alcanzan reducciones en los picos de temperatura de hasta 106K usando una concentración de O2 de 19.5 % en volumen en el oxidante, además de mejorar la uniformidad en el perfil de temperatura. En el caso de los NOx, el régimen de combustión sin llama permite una reducción de hasta la mitad para una concentración de O2 de 26.5 %, confirmando de esta manera el efecto sinérgico de obtener bajas emisiones del mencionado contaminante, cuando se combina oxicombustión con combustión sin llama.
De acuerdo con los estudios presentados en esta sección, se evidencia que muchos se enfocan en el análisis de los perfiles de temperatura, la eficiencia del sistema, la generación emisiones y los procesos cinéticos durante la combustión. Sin embargo, en el fenómeno de autoignición, el cual es parte esencial del funcionamiento del régimen de combustión sin llama, los estudios asociados son más limitados y complejos, ya que en combustión sin llama la ignición y la propagación de la reacción coexisten de forma simultánea.
En este sentido Doan et al. [
De esta forma, aunque existen diversos estudios usando combustibles fósiles en el régimen de combustión sin llama, muchos campos, como la optimización, el diseño y el estudio fenomenológico, no se encuentran totalmente dilucidados, dejando abierta la investigación en muchos aspectos que permitan una compresión adecuada de este tipo de combustión.
En la sección anterior se evidenció el avance en los estudios relacionados con el régimen de combustión sin llama usando combustibles fósiles. Sin embargo, la tendencia en los últimos años se ha enfocado en evaluar el régimen usando combustibles alternativos o mezclas de estos con combustibles fósiles, buscando obtener un efecto sinérgico y reducir el consumo de estos últimos.
Ishii et al. [
Tiempo después Derudi et al. [
Cecere et al. [
Galletti et al. y Parente et al. [
Mardani y Tabejamaat [
En un estudio posterior, Mardani et al. [
El modelo de reactor perfectamente mezclado también ha sido usado en el estudio de mezclas de H2 y CH4 para modelar la combustión sin llama. Primero Sabia et al. [
Posteriormente Yu et al. [
Chen y Zheng [
En el contexto nacional el grupo GASURE también ha comenzado a incursionar en el uso de combustibles alternativos y Colorado et al. [
Continuando con la tendencia internacional de usar combustibles con cierto contenido de H2 , Ayoub et al. [
En la misma línea de evaluar mezclas de H2 y CH4 en régimen de combustión sin llama, Sepman et al. [
En el 2015 Galletti et al. [
En particular, los estudios con gas de síntesis son un poco más limitados de acuerdo con la búsqueda realizada. Aunque los estudios encontrados son en su totalidad relativamente recientes, comenzando en el año 2011 hasta la actualidad, evidencian la tendencia para aprovechar este tipo de combustibles. Shabanian et al. [
De forma más reciente Huang et al. [
Teniendo en cuenta que los combustibles alternativos con contenido de H2 pueden presentar comportamientos diferentes a los combustibles fósiles, dada la alta difusividad molecular de este componente, Zadeh et al. [
Recientemente Mardani et al. [
Tal como se mencionó al comienzo y se evidenció en esta revisión sobre los trabajos desarrollados en régimen de combustión sin llama, no se encontraron estudios utilizando mezclas de combustibles fósiles como CH4 y C3 H8 con gases de síntesis, lo que deja abiertas las posibles investigaciones usando dichas mezclas, considerando los aspectos mencionados en las secciones anteriores sobre los combustibles y el régimen de combustión sin llama.
La optimización y diseño de los sistemas de combustión sin llama requiere de modelos que permitan llevar a cabo simulaciones con la capacidad de reproducir, de una forma adecuada, los fenómenos asociados y el comportamiento real del sistema. Dado el funcionamiento de la combustión sin llama, descrito en las secciones 2 y 3, la interacción entre el mezclado (condiciones de turbulencia) y el proceso de reacción (cinética química) tiene un rol trascendental en la modelación de este régimen.
Ahora bien, como se expuso en las secciones 4 y 5, en diversos estudios tanto con combustibles fósiles como con alternativos se llevaron a cabo simulaciones usando diferentes modelos, aunque en general el más usado es el EDC. Esto se fundamenta en que la mayoría de los modelos de combustión fueron desarrollados y optimizados bajo la aproximación de un proceso cinético altamente rápido, como ocurre en la combustión convencional, dificultando por tanto su aplicación en combustión sin llama.
Sin embargo, el EDC al permitir el acople con mecanismos de reacción detallados y considerar que el proceso cinético ocurre en estructuras de volumen finito, permite un mejor acercamiento a la fenomenología de la combustión sin llama [
Aminian et al. [
Dicho comportamiento puede estar fuertemente asociado con el hecho de que en distancias cortas la dilución aun es baja y el proceso de reacción se asemeja en mayor medida a la combustión convencional, contrario a lo que ocurre en distancias lejanas donde la dilución es alta.
En la misma línea de mejorar este modelo para obtener mejores predicciones, Parente et al. [
Aunque los autores reportan una mejora con las modificaciones propuestas, en particular en niveles de turbulencia bajos y medios junto con alta dilución, el comportamiento obtenido presenta dificultades similares a las expuestas en el estudio de Aminian et al. [
Sin embargo, el estudio previamente mencionado no ha sido el único enfocado en modificar las constantes del modelo EDC. Mardani [
Por otra parte, en una tendencia similar a los estudios experimentales desarrollados en combustión sin llama, el interés por mejorar el modelo EDC tiene especial atención en lo referente al uso de combustibles alternativos. En este sentido Farokhi y Birouk [
Los investigadores concluyen que la versión modificada presenta mejores resultados para predecir el valor máximo de temperatura y la fracción másica de H2 , aunque subestima las concentraciones de OH y CO. En el caso de los NOx, el modelo modificado presentó una mejora importante en la predicción de estos por vía térmica, pero evidenció una capacidad inferior respecto a la versión estándar al predecir la cantidad generada de esta especie asociada al combustible.
Estos mismos autores, pero en un estudio posterior, evaluaron la versión extendida del EDC en un quemador de biomasa acoplado en un horno de parrilla [
En la Fig. 16 se muestran los resultados y se evidencia cómo el modelo extendido presenta una clara mejora en la estimación del CO al interior del horno, tanto en posiciones cercanas como lejanas del ingreso de los reactivos.
Si bien existen desviaciones importantes respecto a los datos experimentales, en particular hacia el final de la cámara de combustión, es importante resaltar que se logra captar la tendencia por completo a diferencia del modelo estándar y de otras modificaciones propuestas por otros autores. Sin embargo, el modelo predice valores muy altos para la concentración de NO en las regiones de alta temperatura. De acuerdo con los autores, esta desviación ocurre debido a la imprecisión en el aporte de la vía térmica a la concentración total.
Finalmente, en el presente año Evans et al. [
No obstante, aunque en comparación a las otras versiones la capacidad de predicción es mejor, aún existen desviaciones considerables en especies intermedias pero cruciales en el proceso de combustión y autoignición como es el OH.
Este último comportamiento evidencia la necesidad de seguir desarrollando estudios enfocados en la mejora del modelo, que permita captar los fenómenos asociados a la combustión sin llama y las especies intermedias.
Ahora bien, aunque el EDC es el modelo más usado en las simulaciones de combustión sin llama, algunos autores consideran que tiene un costo computacional muy alto lo que limita la aplicación del modelo para realizar diversos estudios. En ese sentido Chitgarha y Mardani [
La experimentación fue realizada usando un quemador de coflujo caliente con una mezcla de H2 y CH4 . En la Fig. 18 muestra parte de los resultados obtenidos para el perfil de OH y CO en uno de los experimentos del mencionado estudio, variando el número de Lewis.
Se evidencia claramente que existe una mejora al variar el número de Lewis en la predicción del OH, aunque en el caso del CO no existe una mejora apreciable. Sin embargo, este resultado es para una posición axial determinada y, de acuerdo con los resultados expuestos por los autores, la mejora no es permanente en cualquier posición como se aprecia en la Fig. 19.
Debido a estas variaciones es difícil asegurar una mejora del modelo. Aunque no fue incluido en los gráficos, los autores reportan la comparación con el modelo EDC en función de los errores porcentuales en la predicción de especies.
En el caso de los OH el modelo EDC predice de una mejor manera con errores siempre inferiores al modelo flamelet, con una desviación máxima de 42.3 % en comparación al 61.3 % encontrado para este último; las variaciones hacen referencia a las mediciones experimentales. Un comportamiento similar es reportado para el NO. En el caso del CO el modelo flamelet tiene un mejor desempeño que el EDC, con un error máximo de 16.9 % en comparación al 41 % entregado por este último.
Los resultados presentados por los investigadores permitan inferir que el modelo flamelet con la variación en el número de Lewis, puede ser usado con una precisión adecuada del comportamiento general del sistema, prediciendo de forma correcta el perfil de CO. No obstante, presenta problemas para localizar la zona de reacción y los radicales OH lo que lo limita para estudios más detallados.
Es importante resaltar que las comparaciones hechas por estos investigadores fueron llevadas a cabo con la versión estándar del EDC y no con alguna de las versiones mejoradas presentadas previamente. Debido lo reciente de estos estudios no se encontró una comparación directa al momento de realizar la presente revisión.
Los resultados mostrados previamente en esta sección evidencian que el campo de modelación del régimen de combustión sin llama continúa abierto en lo referente al acople de turbulencia y cinética química. Además, se requiere la evaluación de estos modelos en sistemas térmicos de mayor complejidad, cercanos a los de tipo industrial, puesto que la mayoría de estos trabajos fueron validados usando quemadores de laboratorio a condiciones totalmente controladas, donde muchas de las interacciones entre los fenómenos no tienen la misma intensidad que en un equipo industrial.
El estudio de los fenómenos asociados al régimen de combustión sin llama motivados por las ventajas mencionadas en las secciones anteriores en términos de eficiencia y emisiones, han permitido desarrollar diferentes dispositivos para la aplicación de esta técnica de combustión, así como el mejoramiento de su proceso de obtención y aplicación.
Miks y Shah [
Los perfiles de temperatura uniforme obtenidos en el régimen de combustión sin llama facilitan dicho procedimiento.
Wünning y Wünning [
Recientemente Takyu et al. [
El movimiento de las lanzas dinámicas se da por medio del uso de parte del oxidante como fluido de accionamiento en lugar de un sistema mecánico, para poder ampliar el ángulo de separación entre estas descargas y la de combustible de forma amplia. Dicho cambio permite dispersar el oxidante sobre un volumen mayor en la cámara de combustión. Las lanzas dinámicas le permiten una amplia versatilidad respecto a los combustibles que pueden usarse en el quemador, puesto que es posible modificar los ángulos de descarga y, por tanto, los niveles de dilución y recirculación para lograr así alcanzar el régimen, de acuerdo con los requerimientos del combustible.
También en los últimos años M. Cornwell et al. [
Las patentes mencionadas previamente fueron desarrolladas en Europa y Estados Unidos de América. En el contexto latinoamericano los avances en este tipo de desarrollos son muy escasos y al momento de realizar la presente investigación solo se encontró el trabajo realizado por el grupo GASURE de la Universidad de Antioquia, que obtuvo la patente para un horno de combustión sin llama con quemador autoregenerativo para recuperación de calor [
Con el objetivo de contemplar una implementación futura de la tecnología de combustión sin llama a nivel industrial, específicamente dentro del contexto nacional y a nivel de Latinoamérica, se complementa la presente revisión con el objetivo de estimar en qué sectores particulares tiene cabida esta tecnología. Para ello se revisaron varios casos a nivel internacional. Es importante, antes de continuar con la revisión, delimitar el alcance de este apartado, dado que una implementación concreta requiere estudios de mayor profundidad, no solo técnicos sino también financieros; de esta forma el objetivo de la revisión realizada es solo vislumbrar posibles escenarios de aplicación de una manera global.
Uno de los sectores industriales donde ha sido implementada de manera exitosa la tecnología de combustión sin llama es en la fusión del vidrio. La empresa Gaz de France (actualmente GDF Suez) junto con el instituto Gaswärme de Alemania llevaron a cabo la implementación de quemadores regenerativos en un horno para la fusión de vidrio de la empresa OSRAM [
En el sector de manufactura también tiene cabida la tecnología de combustión sin llama con quemadores regenerativos con los que podrían estimarse reducciones de hasta un 59.2 % de las emisiones de CO2 debido a las altas eficiencias que presenta esta tecnología. En particular, empresas dedicadas a la fabricación de productos metálicos para uso estructural así como aquellas dedicadas al tratamiento y revestimiento de materiales, pueden ser objetivos para la implementación [
Otro de los campos más promisorios para la aplicación de la tecnología de combustión sin llama son las turbinas de gas dado que al precalentar los reactivos se tendrían altas eficiencias y la alta dilución reduciría la generación de NOx. De forma convencional estos dispositivos operan en condiciones de mezcla pobre para evitar la generación de los contaminantes mencionados; sin embargo, el uso de mezclas pobres en modo convencional puede generar inestabilidades termo-acústicas y desprendimientos de llama que producen una posterior extinción; con el régimen de combustión sin llama estas dificultades pueden ser evitadas [
La industria del acero es otro campo de aplicación para esta tecnología. A nivel internacional se han desarrollado varios proyectos de investigación y desarrollo, enfocados en su implementación, en particular su combinación con tubos radiantes ha generado grandes beneficios en esta industria puesto que permite regular adecuadamente los NOx. En particular, empresas italianas han usado esta tecnología en la producción de acero al silicio. En esta misma industria una empresa de Terni (Italia) ha implementado quemadores regenerativos que operan en el régimen de combustión sin llama en la línea de recocido y decapado, alcanzando reducciones de hasta un 50 % en el consumo especifico de combustible con emisiones de NOx por debajo de 100 ppm [
En general, el campo de aplicación del régimen de combustión sin llama abarca cualquiera de los procesos térmicos de alta temperatura a nivel industrial. Sin embargo, dados los resultados obtenidos a nivel internacional con algunas aplicaciones en los sectores del vidrio, el acero y las turbinas de gas, se pueden considerar estos tres campos como los principales para su implementación en la industria nacional y regional.
Es importante tener en cuenta que, debido a las condiciones requeridas para obtener el régimen de combustión sin llama, su aplicación estará en general ligada a procesos continuos donde el tiempo de operación sea amplio. Es decir, que tiene una fuerte limitación con procesos intermitentes ya que esto implicaría la obtención del régimen cada vez que se reinicie el proceso, si el intervalo de tiempo es suficiente para alcanzar una disminución considerable en la temperatura del sistema de combustión. Precisamente los 3 sectores mencionados previamente se caracterizan por ser procesos continuos que facilitan la implementación de esta tecnología.
Sin embargo, esto no significa que no pueda ser aplicada en procesos que no sean completamente continuos; es precisamente el desarrollo de sistemas más compactos donde pueda obtenerse el régimen rápidamente uno de los frentes de investigación necesario para la implementación de esta tecnología. De hecho, la reducción de tamaño en sistemas de combustión y la combustión compacta son áreas de interés en la comunidad que trabaja el sector energético, por lo cual puede pensarse en el acoplamiento de estas líneas con la combustión sin llama para superar la barrera mencionada.
Por otra parte, si bien a nivel internacional se muestra un cierto grado de uso de esta tecnología a nivel industrial, los hechos descritos previamente hacen referencia a su aplicación usando combustibles convencionales, dejando abierta la implementación de la tecnología empleando combustibles alternativos.
El régimen de combustión sin llama se proyecta como una las alternativas para el mejoramiento de los procesos térmicos a nivel de eficiencia y emisiones, contribuyendo así a mitigar las problemáticas de contaminación y demanda energética. El proceso de reacción dentro de este régimen difiere considerablemente de los procesos que tienen lugar en la combustión convencional, de ahí la importancia de conocer cómo ocurren estos fenómenos, además de las técnicas para su obtención y el comportamiento de régimen con distintos tipos de combustible.
Con base en lo reportado en los distintos trabajos revisados se puede establecer que, dentro de las principales condiciones para la obtención del régimen, se destaca la alta velocidad en la descarga de los chorros para generar un nivel de dilución considerable en los reactivos permitiendo alcanzar sus características de reacción distribuida, perfil de temperaturas uniforme y bajas emisiones, aunque un exceso en este aspecto puede generar inestabilidad en el régimen.
Aunque hay estudios variados en el uso de esta tecnología con combustibles alternativos se deben profundizar las investigaciones en particular a una escala semi-industrial, que permitan una posible implementación en el mediano plazo. De igual forma, y como lo muestran algunos estudios, se debe continuar con los trabajos enfocados en optimizar las cámaras de combustión en estos dispositivos para lograr obtener el régimen en espacios más compactos, dando una mayor versatilidad de aplicación.
Así mismo, se debe continuar investigando en la modelación del proceso de reacción que difiere considerablemente de la combustión convencional. Si bien muchos de los modelos reproducen, de forma general, las características del régimen, siguen presentando algunas deficiencias respecto a las tasas de reacción, debido a que muchos de estos tienen su origen y validación asociados a las características de reacción de alta velocidad, contrarias al régimen de combustión sin llama.
Referente a las áreas de aplicación como se evidencia a nivel europeo, ya se ha comenzado a utilizar en la industria del vidrio y acero, así como en turbinas de gas, mostrando el alto potencial de aplicación del régimen.