Información Tecnológica-Vol. 15 N° 3-2004, págs.: 19-22

INGENIERÍA MECÁNICA

Velocidad de Combustión Laminar del Gas de Gasificación Calculada usando Diferentes Mecanismos de Reacción

Laminar Flame Speed of Gas from Biomass Gasification Calculated using two Different Reaction Mechanisms

J.J. Hernández^*1, C. Serrano¹, J. Pérez¹ y A.J. Horrillo²

(1) Univ. de Castilla-La Mancha, Dpto. de Mecánica Aplicada e Ingeniería de Proyectos, E.T.S.I. Industriales, Edificio Politécnico, Avda. Camilo José Cela s/n, 13071 Ciudad Real-España (e-mail: JuanJose.Hernández@uclm.es)
(2) Univ. de Valladolid, Dpto. Ingeniería Energética y Fluidomecánica. E.T.S.I. Industriales, Paseo del Cauce s/n, 47011 Valladolid-España

*autor a quien debe ser dirigida la correspondencia

Resumen

El objetivo de este trabajo es el cálculo de la velocidad de combustión laminar del gas procedente de la gasificación de biomasa lignocelulósica, empleando dos mecanismos de reacción. Se ha calculado dicha velocidad variando tanto la composición del gas como el coeficiente de exceso de aire en el motor, empleando para ello el código computacional CHEMKIN, obteniéndose correlaciones dependientes de la presión y la temperatura. Se ha comprobado, mediante la comparación con resultados experimentales, que el mecanismo de reacción GRI-Mech es más adecuado que el propuesto por Miller-Bowman, y que la relación CO/H₂ del gas es el parámetro de mayor influencia sobre la velocidad de combustión. También se ha comprobado que ambos mecanismos predicen un máximo de velocidad para mezclas enriquecidas gas-aire. Se concluye que el método empleado para el cálculo de la velocidad de combustión es adecuado en los intervalos de presión y temperatura considerados.

Abstract

The objective of this work is the calculation of the laminar flame speed of the gas from lignocellulosic biomass gasification, using two different reaction mechanisms. Varying both the gas composition and the excess air within the engine, the flame speed was calculated by using the CHEMKIN code, and obtaining correlations depending on pressure and temperature. As a result of this study it was found, through comparison with experimental results, that the GRI-Mech mechanism is more suitable than that proposed by Miller-Bowman, and that the CO:H₂ ratio is the gas parameter having the greatest influence on the flame speed. It was also observed that both mechanisms predicted a maximum in the laminar flame speed for rich gas-air mixtures.It is concluded that the method employed for calculating the speed of combustion is appropriate for the pressure and temperature intervals considered.

Keywords: biomass gasification, combustion, flame speed, reaction mechanisms

INTRODUCCIÓN

El aprovechamiento energético de la biomasa lignocelulósica presenta importantes benefi-cios sociales, económicos y medioambienta-les. La gasificación de estos residuos genera un gas de bajo poder calorífico (gas pobre), apto para su empleo en motores.

La velocidad de combustión laminar es una propiedad fisicoquímica que caracteriza la ta-sa de liberación de calor. En el caso del gas pobre, dicha velocidad depende del coeficien-te de exceso de aire en el gasificador, l_g, y en el motor, l_m siendo l el cociente [aire efectivo /aire estequiométrico] con el que se queman la biomasa o el gas, respectivamente. Mientras que l_g influye en la composición del gas pobre, l_m condiciona la relación gas pobre-aire que entra en el motor (Figura 1).

Una correlación habitualmente empleada para expresar la velocidad de combustión laminar (c_cl) de una mezcla combustible-oxidante en función de sus condiciones termodinámicas, presión y temperatura, es la propuesta por Metghalchi y Keck (1980):

donde C_cl,ref es la velocidad de combustión laminar en las condiciones de referencia (T=300 K, p=1 bar). En este trabajo se calcu-lan los parámetros C_cl,ref, a, b para el caso de diferentes mezclas de gas pobre con aire, en función de valores típicos de l_g y l_m.

METODOLOGÍA Y VALIDACIÓN

La biomasa empleada en este estudio son residuos de la poda del pino Mediterráneo, de fórmula empírica CH_1.57O_0.78N_0.0056S_0.0001. Para determinar la composición del gas en función de l_g se ha empleado un modelo de equilibrio químico de elaboración propia que considera 35 especies químicas (Hernández et al., 2000), el cual forma parte de un modelo ciné-tico más complejo cuyo objetivo es el estudio de la formación de contaminantes en motores (Lapuerta et al., 2001).

Para el cálculo de la velocidad de combustión laminar se ha empleado el paquete informá-tico CHEMKIN III (Kee et al., 1996), que nece-sita como fichero de entrada un mecanismo de reacción apropiado. Entre los múltiples esquemas cinéticos existentes en la literatura se han elegido los dos que gozan de mayor prestigio: 1) El propuesto por Miller y Bowman (1989), de 234 reacciones y 53 especies químicas 2) El GRI-Mech 3.0, propuesto por Frenklach et al. (1999), que considera 325 reacciones y 53 especies. Ambos mecanis-mos son aptos para el rango de presión y temperatura aquí considerado: 1-10 bar y 300-500 K, el cual ha sido elegido en función de las limitaciones del equipo experimental empleado en la validación. El método teórico consiste en calcular la velocidad de combus-tión laminar para distintas condiciones de pre-sión y temperatura, y ajustar estos resultados a la ecuación 1, obteniendo así los parámetros C_cl,ref, a y b.

La validación del método de cálculo se ha llevado a cabo comparando los resultados teóri-cos con los obtenidos de forma experimental en una bomba de combustión esférica (Tinaut et al., 2002), empleando una mezcla estequio-métrica de metano y aire. Para ello, se han registrado los valores de presión instantánea durante la combustión y, a través de un modelo termodinámico de diagnóstico de dos zonas (Tinaut et al., 1999), se ha obtenido la velocidad de combustión laminar experimental.

La Figura 2 muestra cómo la velocidad teórica obtenida mediante el mecanismo de GRI-Mech se acerca más a los resultados experi-mentales, con un error del 5%, frente al 20% que se da con el mecanismo propuesto por Miller-Bowman.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Efecto de la composición del gas pobre

A través del modelo de equilibrio se obtuvo la composición del gas pobre para distintos valores de l_g(figura 3). Las principales especies combustibles son el monóxido de carbono, el hidrógeno y el metano, siendo la concentra-ción de éste último prácticamente desprecia-ble para valores altos del coeficiente de exceso de aire l_g. Se ha comprobado que la relación CO/H₂ es el parámetro que mayor influencia tiene sobre la velocidad de combus-tión laminar. En la tabla 1 se muestra el valor obtenido con CHEMKIN para los parámetros C_cl,ref, a y b de la correlación de Metghalchi y Keck, para distintos valores de l_g, mante-niendo el coeficiente de exceso de aire en el motor l_m constante e igual a uno.

Tabla 1: Velocidad de combustión laminar del gas pobre para distintas composiciones,
calculada mediante los dos mecanismos considerados (l_m =1).

Fig. 3: Composición del gas pobre frente a l_g (Hernández et al., 2000)

Se ha comprobado que, en general, la veloci-dad en condiciones de referencia, C_cl,ref, aumenta al disminuir la relación CO/H₂ en el gas de gasificación. Esta tendencia se debe a que la velocidad de combustión laminar del hidrógeno es mucho mayor que la del CO y CH₄, siendo la de estas dos similares entre sí.

Como se observa en la tabla, el mecanismo de Miller sobreestima el valor de C_cl,ref en un 20% por encima de la predicha por el meca-nismo de GRI-Mech. Por el contrario, se ob-tiene una dependencia de la velocidad con la temperatura similar con ambos mecanismos, dándose una variación entre uno y otro de sólo el 2% para el coeficiente a. No ocurre lo mismo con el exponente de la presión b, donde GRI-Mech predice una influencia de hasta un 30% mayor sobre la velocidad que el mecanismo de Miller.

Efecto del exceso de aire en el motor

En el estudio de la influencia que el coeficien-te de exceso de aire en el motor l_m tiene sobre la velocidad de combustión laminar del gas pobre, se ha tomado un gas de composición constante, correspondiente a un valor de l_g igual a 0.29, en que la concentración de H₂ es máxima. Calculando con CHEMKIN la velocidad a distintas presiones, temperaturas y valores de l_m, con un mecanismo de reacción y otro, se han obtenido las siguientes ecuaciones, que muestran el efecto que l_m tiene sobre los coeficientes C_cl,ref a y b de la ecuación (1).

Mecanismo de Miller y Bowman

Mecanismo GRI-Mech

Como se observa en la figura 4, para todo valor del coeficiente de exceso de aire en el motor los valores de velocidad de combus-tión laminar que se obtienen con el mecanis-mo propuesto por Miller son un 20% mayores que los que se obtienen con el mecanismo de GRI-Mech. No obstante, se observa que la velocidad calculada a partir de ambos sigue la misma tendencia. Para mezclas excesivamente ricas (l_m muy bajo) el proceso de combustión incompleta por defecto de aire re-duce la velocidad de combustión laminar.

Se ha comprobado que, aunque la temperatura adiabática de llama alcanza un máximo para valores de l_m cercanos al estequiométri-co (l_m =1), la velocidad de combustión lami-nar es máxima para mezclas muy ricas (l_m próximo a 0.7). Este efecto se debe a que la elevada difusividad del H₂, a pesar de no tener un efecto muy significativo sobre el calor liberado al final del proceso de combustión, provoca que éste ocurra de forma mucho más rápida.

CONCLUSIONES

De la validación experimental con el metano se concluye que el método empleado para el cálculo de la velocidad de combustión es adecuado en el rango de presión y temperatura considerado.

El empleo del mecanismo de Miller sobre-estima la velocidad obtenida para el metano, mientras que el mecanismo GRI-Mech 3.0 permite una mayor aproximación a los resultados experimentales.

Se ha calculado la velocidad de combustión del gas pobre para distintas composiciones, con l_m=1. Sea cual fuere la concentración de metano, se ha comprobado que el parámetro que mayor influencia tiene sobre la velocidad de referencia del gas pobre es la relación CO/H₂, de modo que ésta aumenta lineal-mente cuando la relación CO/H₂ disminuye.

Por último, y al contrario de lo que sucede con la mayoría de los combustibles convenciona-les, la velocidad de combustión del gas pobre, debido a su contenido en H₂, es máxima para mezclas gas/aire ricas, del orden de l_m =0.7.

REFERENCIAS

Frenklach, M. y otros 8 autores, Gas Research Institute Mechanism, Versión 3.0, http://www.me.berkeley.edu/gri_mech/ (1999)

Hernández, J.J.; Rodríguez, J.; Vicente, J.J.; Melgar, A., Cálculo de la composición y de las propiedades termodinámicas de los productos resultantes de un proceso de gasificación de biomasa forestal, Anales Ing. Mec., 4 (2000)

Kee, R.; Rupley, F.; Meeks, E.; Miller, J., Chemkin: A Fortran chemical kinetics package for the analysis of gas-phase chemical and plasma kinetics, SAND96-8216B (1996)

Lapuerta, M.; Hernández, J.J; Tinaut, F.V.; Horrillo, A., Thermochemical behaviour of pro-ducer gas from gasification of lignocellulosic biomass in SI engines, SAE Paper 2001-01-3586 (2001)

Metghalchi, M.; Keck, J.C., Laminar Burning Velocity of Propane-Air Mixtures at High Temperature and Pressure, Combustion and Flame, 38 (1980)

Miller, J.A.; Bowman, C.T., Mechanism and modeling of nitrogen chemistry in combustion, Prog. Energy Comb. Sci., 15 (1989)

Tinaut, F.; Melgar, A.; Horrillo, A., Utilization of a quasi-dimensional model for predicting po-llutant emisions in SI engines, SAE Paper 1999-01-0223 (1999)

Tinaut, F. y otros 4 autores, Determinación experimental de la velocidad de combustión laminar de mezclas de gases combustibles en una bomba a volumen constante, Anales Ingeniería Mecánica (2002)

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