Revisión de la combustión con aire enriquecido con oxígeno como estrategia para incrementar la eficiencia energética

Revision of Combustion with oxygen-enriched air as a strategy to increase energy efficiency

Entre las alternativas disponibles para incrementar la eficiencia energética en procesos de combustión se encuentra la combustión con aire enriquecido con oxígeno, la cual consiste en aumentar la concentración de oxígeno en el aire atmosférico hasta llegar a niveles de hasta el 100%. En el presente estudio se realiza una revisión de la fenomenología del proceso de combustión con aire enriquecido, haciendo énfasis en aspectos termodinámicos, químicos y cinéticos. Así mismo, se presentan los métodos de obtención de aire enriquecido con oxígeno más aplicados hasta el momento, como la adsorción por presiones oscilantes en tamices moleculares y destilación criogénica, y los que se encuentran en estado de desarrollo, como las membranas de separación. Finalmente, se revisan las aplicaciones más comunes de la combustión con aire enriquecido, como procesos industriales de alta temperatura, captura y secuestro de CO₂, y motores de combustión interna, al igual que los avances en investigación respecto a este tema en Colombia.

1. INTRODUCCIÓN

El aire enriquecido con oxígeno es una de las técnicas más prometedoras para incrementar la eficiencia de los procesos de combustión y de transferencia de calor (Zhou et al., 2011). Entre las ventajas de utilizar aire enriquecido con oxígeno se encuentran los ahorros de combustible de hasta el 15%, las reducciones en las emisiones de CO₂ de hasta el 25% y los incrementos en la eficiencia energética de hasta el 20%, como resultado de reducciones en la temperatura de ignición, aceleramiento de la combustión, incrementos en la temperatura de combustión, mejor transferencia de calor y menores pérdidas de energía en los gases de combustión (Li y Fan, 2012). Esta técnica es aplicable a escala industrial en un amplio rango de operaciones, que incluye hornos, calderas, estufas, motores de combustión interna y plantas de generación de energía eléctrica (Baukal, 1998; Lin, 2011).

​Existen experiencias en las que se han obtenido notables beneficios energéticos con la técnica de enriquecimiento de aire con oxígeno para procesos de combustión, por ejemplo en Japón, donde se han alcanzado ahorros energéticos de hasta el 26,7% usando aire con el 23% de oxígeno en hornos de cúpula; o en Estados Unidos, donde se ha utilizado el 23-24% de oxígeno en el aire para hornos de fundición, obteniendo ahorros de combustible de hasta el 26,7% (Li y Wang, 2003). En China, la planta de acero de Wuhan ha logrado ahorros de hasta 420.000 toneladas de carbón al año con esta técnica de combustión (Yang y Deng et al., 2011).