Modelos para el estudio fenomenológico de la combustión sin llama con simulación numérica

Numerical models for the phenomenological study of flameless combustion

La combustión sin llama es una técnica que ofrece ventajas ambientales con emisiones de NOx y CO por debajo de 100 ppm debido a perfiles de temperatura con gradientes menores a 200 K y eficiencias energéticas mayores al 70%. El conocimiento de la fenomenología de este régimen de combustión ha sido facilitado por el empleo de la simulación numérica. En este artículo se ha hecho una revisión en la literatura especializada de los modelos de turbulencia, combustión, transferencia de calor y formación de NOx más usados en el modelado de la combustión sin llama con códigos CFD. Como resultado de la revisión se ha concluido que el modelo k-ε estándar es el más usado para la turbulencia, los modelos Finite Rate/Eddy Dissipation con sus constantes modificadas y Eddy Dissipation Concept son adecuados para las reacciones de combustión, el modelo de ordenadas discretas y suma ponderada de gases grises son utilizados para la radiación, y los modelos térmico, precoz y N₂O intermedio se usan para los NOx.

Introducción

Ante los diversos problemas ambientales que enfrenta la sociedad actual y la inminente escasez de las fuentes de combustible tradicionales en un tiempo no muy lejano, se ha generado un interés creciente en los investigadores y fabricantes de equipos por desarrollar técnicas y dispositivos de combustión que faciliten la reducción de emisiones contaminantes sin desfavorecer la eficiencia de los procesos de obtención y transformación de energía. Con referencia a esto último, la eficiencia térmica de los hornos industriales puede incrementarse significativamente con el precalentamiento del aire de combustión. Sin embargo, las emisiones de óxidos de nitrógeno (NOx) se incrementan significativamente con las altas temperaturas de combustión (Yang y Blasiak, 2005). Estos compuestos son regulados en muchos países con leyes restrictivas que son cada vez más estrictas (Galleti et al, 2007).

En los últimos años se ha venido dando importancia a un método    de combustión que emplea aire precalentado y fuerte  recirculación de los productos de combustión. El precalentamiento del aire asegura una alta eficiencia térmica mientras que la dilución de la mezcla aire/combustible con productos de combustión genera una concentración de oxígeno menor a la que normalmente se utiliza    en la combustión tradicional, lo cual reduce la temperatura de llama (Galleti et ál., 2007). Este régimen de combustión se ha denominado combustión sin llama, y según los resultados obtenidos por algunos investigadores, constituye una alternativa para solucionar   el dilema entre eficiencia y reducción de emisiones (Wünning y Wünning, 1997) y una verdadera revolución en el diseño concep tual de hornos de alta temperatura (Cavaliere y Joannon, 2004; Delacroix,  2004;  Wünning,  2003;  Milani  y  Wünning,  2002c;  Milani y Wünning, 2002d; Coelho y Peters, 2001; Gupta, 2000; Hasegawa y Tanaka, 1998; Wünning y Wünning, 1997).

No obstante, la información acerca de esta técnica de combustión se encuentra dispersa (Cavaliere y Joannon, 2004) y las bases físico-químicas del fenómeno aún no están completamente entendidas.