Juan Carlos González Palencia1 , Andrés Adolfo Amell Arrieta2 y Francisco Javier Cadavid Sierra3
1 Ingeniero mecánico, Universidad Nacional de Colombia, Medellín. M.Sc., en Ingeniería énfasis Energética, Universidad de Antioquia, Colombia. Investigador, grupo de Ciencia y Tecnología del Gas y Uso Racional de la Energia - GASURE, Facultad de Ingeniería, Universidad de Antioquia, Colombia. jcgonzalezp@udea.edu.co.
2 Ingeniero mecánico, Universidad de Antioquia, Colombia. Magíster, en Economía Energética, Universidad Nacional de Colombia, Medellín. Docente Investigador y coordinador, Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas y Uso Racional de la Energia - GASURE, Facultad de Ingeniería, Universidad de Antioquia, Colombia. Consejero Nacional del Programa de Investigación en Energía y Minería de Colciencias. anamell@udea.edu.co.
3 Ingeniero mecánico, Universidad de Antioquia, Colombia. Magíster, en Transferencia de Calor, Universidad de Poitiers, Francia. Ph.D., en Mecánica y Energética, Universidad de Valenciennes et du Hainaut – Cambresis, Francia. Docente Investigador, grupo de Ciencia y Tecnología del Gas y Uso Racional de la Energia - GASURE, Facultad de Ingeniería, Universidad de Antioquia, Colombia. fcadavid@udea.edu.co.
Las pequeñas y medianas empresas (PYME) con procesos de alta temperatura, como la fundición y los tratamientos térmicos, son de gran importancia social y económica en los países en vía de desarrollo, siendo necesario aumentar su competitividad para garantizar su permanencia en el mercado. Dado que estas empresas son intensivas en el consumo de energía térmica, su competitividad se ve afectada por la obsolescencia y baja eficiencia de los sistemas de combustión, por lo que es necesaria la investigación y divulgación de nuevas tecnologías. Teniendo esto en mente, se presenta una revisión del estado del arte de la combustión con aire enriquecido con oxígeno (OEC), resaltando sus ventajas ambientales y productivas. Con el objetivo de mostrar su potencial se presenta un caso de aplicación a la fusión de latón en un horno autorregenerativo para el que se obtienen reducciones de consumo de combustible, tiempo de proceso y emisiones contaminantes de CO2 total equivalente del 28, 43 y 34% respectivamente y un incremento del 30% en la eficiencia al aumentar el contenido de O2 en el comburente de 21 a 35%. Sin embargo, el incremento del costo asociado al suministro de O2 representa un obstáculo para la penetración de esta tecnología.
Palabras clave: combustión con aire enriquecido con oxígeno, PYME, uso racional de la energía, países en vía de desarrollo.
ABSTRACT
Small and mediumsized enterprises (SMEs) having high temperature processes, such as heat treating and melting, are socially and economically important for developing countries. Consequently, their competitiveness must thus be increased to guarantee their permanence in the market. As these companies are thermal energy intensive, their competitiveness is affected by obsolescence and the low efficiency of older combustion devices, thereby making research necessary and being open to and aware of new technologies. With this aim in mind, a review of the state of the art regarding oxygen-enhanced combustion (OEC) is presented, highlighting its productivity and environmental benefits. A brass melting process in a selfregenerative furnace is shown to account for its potential, in which 28%, 43% and 34% reductions in fuel consumption, process time and CO2 emissions were obtained, respectively, and a 30% increase in efficiency, by increasing the oxygen content in the oxidiser from 21% to 35%. However, increased O2 supply cost constitutes an obstacle to applying this technique in SMEs.
Keywords: oxygen-enhanced combustion, SME, rational energy use, developing countries.
Recibido: noviembre 25 de 2008
Aceptado: octubre 15 de 2009
Introducción
En la combustión tradicionalmente se ha empleado aire normal (21% O2 y 79% N2) como oxidante, siendo el N2 un consumidor de energía y el responsable de los NOx, contaminantes indeseados (Boushaki et al., 2007). Al disminuir el N2 presente en la reacción se reducen las pérdidas de calor sensible, siendo este uno de los métodos más eficientes para el ahorro de energía en combustión (Blasiak et al., 2004; Krishnamurthy et al., 2004). La combustión con estas características se conoce como combustión con aire enriquecido con oxígeno (OEC) (Baukal, 1998; Lambert et al., 1997).
]]> El aumento del O2 en el comburente mejora las condiciones para la iniciación, sostenimiento y propagación de la llama (Bisio et al., 2001), y su oxidación (Rena et al., 2003), así como la productividad en los procesos (Krishnamurthy et al., 2009; Cheng et al., 2006). Así pues, la OEC es una alternativa para aumentar la competitividad de las PYME del país con procesos a alta temperatura, que se caracterizan por el uso de equipos de combustión con bajas eficiencias térmicas, condiciones críticas de salud ocupacional y poca capacidad adquisitiva (Amell et al., 2007); que repercuten en la calidad de los productos y procesos, los costos de operación, la eficiencia energética, las emisiones contaminantes y las condiciones laborales. Por esta razón las características de la OEC son estudiadas y presentadas a continuación, con el propósito de divulgar esta tecnología en el país y dar señales sobre la pertinencia de realizar desarrollos tecnológicos en el tema que sean adaptable a la escala económica de las PYME.Inicialmente se presentan las características fenomenológicas de la OEC, resaltando el efecto del O2; luego se define la solución más adecuada para proveer el O2 de acuerdo con las restricciones de las PYME colombianas y se presentan las ventajas de la OEC con el caso particular de la fusión de latón; y finalmente se presentan las conclusiones.
Características principales de la OEC
La OEC surgió debido a los requerimientos de altas temperaturas de procesos que tradicionalmente empleaban grandes bancos recuperadores de calor; y se consolidó gracias a la disminución de los costos asociados a la producción de O2 (Baukal, 2003; Chen y Axelbaum, 2005; North American Mfg Co., 1997), que la hicieron económicamente viable en procesos de alta temperatura (Sunderland et al., 2003), como la fusión de vidrio (Boushaki et al., 2007; Bennet et al., 2008), de acero (Kim et al., 2007) y de aluminio (Nieckele et al., 2004), donde se obtuvieron aumentos significativos en la productividad con bajos costos de inversión, convirtiéndolos en potenciales aplicaciones de la OEC (Fabiani et al., 1996).
La OEC se clasifica de acuerdo al contenido de O2 en el comburente en: enriquecimiento de bajo, medio y alto nivel (Baukal, 1998). El enriquecimiento de bajo nivel (O2 entre 23 y 30%) se emplea para mejorar el rendimiento en los procesos, pues la mayoría de los quemadores operan bien hasta 28% de enriquecimiento sin modificaciones, con mejoras significativas en la productividad (Baukal, 2000; Lambert et al., 1997). El enriquecimiento de medio nivel (O2 entre 30 y 90%) y de alto nivel (O2 mayor que 90%) son estrategias más complejas, ya que requieren la implementación de equipos especializados debido a los cambios de las características de la combustión, que conllevan altos costos de los equipos y del suministro de O2 (Baukal, 2003). Cuando el contenido de O2 en el comburente es mayor que 98% se tiene oxicombustión, caracterizada por mayores temperaturas de proceso con producción casi nula de NOx.
Para caracterizar la OEC se emplean los siguientes parámetros: el factor de enriquecimiento (Ψ ), definido como el cociente entre la relación aire/combustible (A/F) con aire normal y con aire enriquecido (Coombe y Nieh, 2007); la estequiometría (S), que relaciona la cantidad de O2 y de combustible que reaccionan; y la fracción molar en el oxidante (Ω ), que relaciona las moles de O2 en el comburente y las moles totales de este (Baukal, 1998), además del nivel de enriquecimiento (%E ), que expresa la variación del contenido de O2 en el comburente con respecto al nivel de referencia.
El aumento del contenido de O2 en el comburente disminuye los flujos volumétricos de gases en la combustión (Krishnamurthy et al., 2009; Bennet et al., 2008; Kim et al., 2007), generando aumentos significativos en la eficiencia de combustión (Coombe y Nieh, 2007; Bisio et al., 2001; Blasiak et al., 2004; Boushaki et al., 2007; Lambert et al., 1997; Kim et al., 2007), al punto de obtener reducciones del consumo de combustible hasta del 50% al sustituir la combustión tradicional por oxicombustión (Vesterberg et al., 2006). De igual forma, genera el incremento de la temperatura adiabática de llama (Baukal y Gebhart, 1998; Vega et al., 2007; Beaulieau et al., 2008; Bennet et al., 2008; Rafidi et al., 2005), el perfil de temperatura, el calor disponible (Lambert et al., 1997), el flux de calor (Gupta et al., 1999), la modularidad de los equipos (Krishnamurthy et al., 2009) y las eficiencias de primera y segunda ley de la termodinámica (Rafidi, 2005). Aunque en hornos con un quemador la uniformidad se ve afectada (Grandmaison et al., 2003), esta mejora al instalar más quemadores.
También se han reportado incrementos del gradiente de velocidad y de la velocidad de combustión conforme aumenta el nivel de enriquecimiento (North American Mfg Co., 1997; Vega et al., 2007), pasando de 0,3 m/s cuando se emplea aire normal a 3,3 m /s al emplear O2 puro (Baukal, 1998), incrementando también las tasas de liberación de energía y la densidad de potencia, mientras que se reduce el volumen de la llama.
El aumento de la temperatura de llama y de las emisividades de los gases mejoran la transferencia de calor (Lambert et al., 1997). La componente de radiación se hace mayor debido al incremento de la temperatura y las concentraciones de CO2 y H2O (Baukal y Gebhart, 1997). La componente de convección aumenta debido al incremento de la temperatura adiabática de llama y de la velocidad de combustión (Remie et al., 2006).
Las condiciones para la combustión se favorecen debido a la reducción de la energía y la temperatura mínimas de ignición (Lambert et al., 1997). La energía mínima de ignición para el CH4 pasa de 0,45 a 0,01 mJ y la temperatura mínima de ignición de 980 a 829 K cuando se aumenta el contenido de O2 en el comburente de 21 a 100% (Baukal, 1998). Además, el intervalo de inflamabilidad aumenta (Vega et al., 2007; Cheng et al., 2006). En el caso del CH4, el límite superior de inflamabilidad (LSI) incrementa linealmente con la concentración de O2 en el comburente, pasando de 14 a 59 al cambiar el comburente de aire normal a O2 puro, mientras que el límite inferior de inflamabilidad (LII) se mantiene constante (Baukal, 1998). De igual forma, la llama se vuelve más fuerte y resistente a la extinción debido a una mayor tasa de disipación escalar y a una menor temperatura de extinción (Du y Axelbaum, 1996), siendo la tasa de deformación requerida para extinguir una llama CH4 – O2 más del doble de la requerida para extinguir una llama CH4 – aire (Chen y Axelbaum, 2005).
El enriquecimiento con O2 también afecta la estructura de la llama. Reducciones en la longitud han sido reportadas al aumentar el nivel de enriquecimiento (Vega et al., 2007; Beaulieau et al., 2008; Bennet et al., 2008); mientras que menores concentraciones de O2 incrementan la fluctuación (sólo para descargas a alta velocidad), la longitud de la llama y la distancia de liftoff (Lille et al., 2000). También se ha reportado la disminución de los vientos iónicos y con ellos la distorsión de la forma de llama en presencia de un campo eléctrico (Vega et al., 2007).
La incidencia del incremento del contenido de O2 en los productos ha sido estudiada por varios autores (Baukal, 1998; Grand-maison et al., 2003; Khare et al., 2007); encontrando que el CO pasa de una concentración en el equilibrio de 0% con aire normal a 15% con O2 puro, mientras que la concentración en el equilibrio de CO2 aumenta hasta valores cercanos a 10%; para el agua, la concentración en equilibrio se duplica, pasando de 20 a 40%, en tanto que el N2 decrece de 70 a 0% (Baukal, 1998).
]]> El aumento de la concentración de CO2 en los productos facilita su captura (Sunderland et al., 2003; Khare et al., 2007; Cheng et al., 2006), convirtiendo la OEC en una estrategia promisoria para la reducción de las emisiones de CO2 (Gou et al., 2006). Ésta se ha puesto en práctica en ciclos de combustión interna con O2 puro para generación de energía, como el ciclo Graz y el ciclo semicerrado de oxicombustión combinado, cuyas eficiencias netas son cercanas al 50% (Sanz et al., 2008; Sanz et al., 2005).En quemadores tradicionales los NOx se comportan parabólicamente frente al contenido de O2 debido al efecto de dos factores: la concentración de O2 y la temperatura de llama (Ishii et al., 2000). El aumento de la concentración de O2 en el comburente causa la reducción del N2 en la reacción, que genera la disminución de NOx en el proceso; mientras que el aumento de la temperatura adiabática de llama favorece las condiciones para la formación de los NOx (Bennet et al., 2008). Para el CH4 el máximo se encuentra cuando el contenido de O2 en el comburente es 66% y el mínimo cuando el comburente es 100% O2 (Baukal, 1998).
En quemadores con bajos NOx, se obtienen reducciones de los NOx implementando OEC con alta recirculación (Krishnamurthy et al., 2004; Cremer et al., 2003; Kim et al., 2007). Experimentalmente se han obtenido emisiones de NOx inferiores a 12 mg/MJ, prácticamente constantes para valores de menores de 60%, que descienden en el rango superior de enriquecimiento (Grand-maison et al., 2003; Poirier et al., 2004). Además, la intensa radiación de la llama también contribuye a la reducción de los NOx (Atreya, 2007).
Selección de la estrategia de enriquecimiento
El enriquecimiento del aire es uno de los principales elementos que se deben considerar para hacer viable la OEC. Las siguientes son las opciones con las que se cuenta para tal fin: mezclado de aire normal con O2, producción de O2 por VSA o destilación e implementación de tecnologías de producción alternativas como membranas y separación magnética.
El mezclado de aire normal con O2 es usado para contenidos de O2 en el comburente entre 23 y 35%. Consiste en comprar O2 con un nivel bajo de pureza (alrededor de 98%) y mezclarlo con aire normal. La principal ventaja es que requiere una inversión inicial baja, del orden de cientos de dólares, mientras que el costo de operación está asociado al O2, que para octubre de 2008 se encontraba alrededor de US $7/m3. La principal dificultad de esta estrategia es la disponibilidad de O2, no siendo una alternativa viable en zonas apartadas.
La generación de O2 usando VSA consiste en emplear ciclos swing de adsorción por vacío (VSA) para separar el O2 del aire, siendo la zeolita A el material más adecuado para el lecho de adsorción (Niwa et al., 1991). La inversión es del orden de miles de dólares y el usuario debe asumir los costos de operación, ganando en cambio autosuficiencia. Sin embargo, la barrera económica, característica de las PYME (Amell, et al., 2007; Nagesha y Balachandra, 2006; Önüt y Soner, 2007; Shi et al., 2008), dificulta la inversión en esta tecnología.
La generación de O2 por destilación consiste en enfriar el aire para separarlo en sus componentes principales (Ar, N2 y O2) mediante destilación. La inversión oscila entre miles y millones de dólares de acuerdo con la capacidad y el usuario debe asumir los costos de operación. Esta estrategia no es conveniente en las PYME locales, pues los niveles de consumo de O2 son muy bajos para justificar la construcción de un sistema de este tipo.
El enriquecimiento por membranas emplea el principio de disolución-difusión para separar el O2 del aire. Sus principales ventajas son compactibilidad (Ettouney et al., 1998), modularidad (Lambert et al., 1997) y el poco ruido y vibración generado (Coombe y Nieh, 2007), lo cual las hace propicias para aplicaciones de OEC en el tratamiento de aguas residuales (Tajuddin et al., 2002), insitu (Bisio et al., 2001) y on board en motores de combustión interna para automoción (Store y Poola, 1998) y submarinos (Clark y Rowan, 1996). Generalmente son fabricadas en polímeros y reciéntemente en materiales cerámicos (Ciacchi et al., 2002). Sus costos de inversión son del orden de miles de dólares. El enriquecimiento por fuerzas magnéticas es otra tecnología alternativa, pero ésta se encuentra aún en etapa de desarrollo (Asako y Suzuki, 2007).
Análisis del caso
]]> Se consideró un horno de 120 kW y factor de aireación de 1.1, condiciones típicas en PYME (González, 2009), con gas natural como combustible. Como se pretendía mantener los costos bajos, se empleó un nivel de enriquecimiento máximo de 35%, para lo cual se determinó que la estrategia de enriquecimiento más viable es el mezclado entre aire normal y O2.Para las condiciones anteriores se estudió la fusión de latón usando OEC y aire precalentado. El efecto del enriquecimiento con O2 sobre los flujos y costos de operación del sistema se presenta en la Figura 1, donde se observa que aumentos en el contenido de O2 en el comburente disminuyen los flujos volumétricos de aire de combustión y aire normal, mientras que aumentan el flujo de O2 y los costos de operación.
El horno fue evaluado experimentalmente con una carga de 250 kg de latón y operando con aire normal y aire enriquecido con O2 al 35%, obteniendo una mejora significativa en el desempeño evidenciada por el incremento de la eficiencia térmica y la disminución de las emisiones contaminantes, del consumo de combustible y el tiempo empleado para la fusión (González, 2009). Los principales parámetros de los procesos se recogen en la Tabla 1.
Como se empleó enriquecimiento hasta el 35%, las modificaciones a los sistemas de combustión no son significativas, siendo el suministro de O2 el principal reto. Queda claro entonces, que enriquecer el aire con O2 trae consigo beneficios significativos como la reducción del consumo de combustible, del tiempo de fusión y de las emisiones contaminantes, y el incremento de la eficiencia útil y de la temperatura máxima del proceso, que constituyen una oportunidad para aumentar la competitividad de las PYME.
Sin embargo, el costo asociado al suministro de O2 representa la principal barrera de esta tecnología, por lo que el desarrollo de sistemas de enriquecimiento con menores costos, además de la valoración de beneficios como la mejora de las condiciones laborales y la disminución de las emisiones contaminantes pueden contribuir a hacer más atractiva esta tecnología.
Conclusiones
]]> La OEC es una técnica de combustión donde se reduce el contenido de N2 en el comburente, causando la disminución del flujo de gases, y consecuentemente, del tamaño de los equipos empleados, generando además el aumento de la temperatura adiabática de llama, la eficiencia térmica, el flux de calor, el intervalo de inflamabilidad y la velocidad de combustión; y la disminución de la energía y temperatura mínimas de ignición. La concentración de CO2 aumenta, facilitando su captura; al paso que la concentración de NOx presenta un comportamiento parabólico que puede ser convertido en lineal decreciente al emplear recirculación.En procesos de calentamiento estas ventajas se traducen en un incremento en la temperatura máxima de proceso, la productividad y la eficiencia útil, y en la disminución de las emisiones contaminantes, el tiempo del proceso y el consumo de combustible. Estas características hacen de la OEC una alternativa interesante para aumentar la competitividad de las PYME colombianas, siendo el suministro de O2 un elemento clave en la viabilidad económica debido al incremento en los costos de operación.
Este trabajo representa un punto de partida para explorar el potencial de la OEC en PYME de países en vía de desarrollo a partir de la ilustración de sus ventajas. A partir de los resultados encontrados es claro que se debe trabajar en el estudio de mecanismos para hacer económicamente más atractiva esta estrategia de combustión, como el desarrollo de sistemas de combustión tradicionales y la formulación de proyectos sombrilla para la venta de emisiones de CO2.
Agradecimientos
Los autores agradecen al SENA, a las Empresas Públicas de Medellín y a la Universidad de Antioquia, por el apoyo financiero del proyecto relacionado con desarrollos tecnológicos para procesos de alta temperatura.
Nomenclatura
A/F: Relación aire/combustible
S: Estequiometria
x: Número de moles deN2
%E: Nivel de enriquecimiento
]]> O: Fracción molar de O2 en el oxidanteΨ: Número de enriquecimiento
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