Análisis evaluativo de mecanismos de reacción para modelar la combustión de gases derivados de biomasa

Evaluative analysis of reaction mechanisms for modeling the combustion of biomass-derived gases

Parte fundamental en la simulación de procesos de combustión es modelar con la mayor exactitud posible la cinética química que tiene lugar en el fenómeno. Por otro lado, en simulaciones complejas de combustión que involucran la dinámica de fluidos computacional (CFD) del sistema, el recurso computacional es un factor crítico para tener en cuenta. Con base en lo anterior, en este estudio se evalúa el desempeño de cuatro mecanismos de reacción semidetallados (DRM22, C1-C4 de Heghes, GRI 3.0 y Konnov), para modelar la cinética de combustión de gases de síntesis derivados de biomasa en simulaciones CFD (motores, turbinas, quemadores, entre otros). La metodología consiste en la realización de pruebas computacionales para obtener resultados relacionados con la variable retraso al encendido. Dichas simulaciones se llevaron a cabo en un reactor a presión constante variando diferentes parámetros de la combustión. Los resultados obtenidos con los mecanismos semidetallados se compararon con los obtenidos con un mecanismo detallado (Westbrook), por medio del cálculo de errores. Se encontró que la aplicabilidad de cada modelo cinético depende de las variables del proceso analizadas, donde la calidad de sus predicciones siempre es inversamente proporcional al contenido de hidrógeno en el combustible. Cabe resaltar que el mecanismo GRI 3.0 presentó el mejor desempeño global.

INTRODUCCIÓN

La importancia de incursionar en la investigación de biomasas o derivados de las mismas, se hace evidente cuando se afronta el calentamiento global y los riesgos en confiabilidad energética asociados a la carencia de combustibles fósiles [1-3]. A medida que la preocupación por el medio ambiente y el requerimiento de energía mundial aumentan, los gases derivados de biomasa pueden ser una solución importante en el futuro, usándose, por ejemplo, en la generación conjunta de calor y energía alimentando diversos sistemas térmicos [2-7].

El impacto a nivel energético y ambiental que acarrea la utilización futura de gases de síntesis derivados de biomasa demanda una predicción confiable de su fenómeno de combustión en diferentes sistemas y aplicaciones [3,7-9]. Con este fin, el modelado matemático y la simulación computacional constituyen una herramienta prometedora, ya que reduce los costos en relación con los estudios experimentales y "al tener un modelo robusto" permite realizar análisis paramétricos del sistema de forma relativamente sencilla [3,8,10].

Sin embargo, en simulaciones complejas de combustión en las que se involucra la dinámica de fluidos computacional (CFD) o en la optimización de sistemas térmicos, el costo computacional es un factor crítico a tener en cuenta [11]. Esto se debe a que el mismo condiciona las simulaciones realizables, además de indicar la rapidez con que estas se desarrollan y se obtienen resultados [11].