A comparative study of the com- combustion properties of normal bio-bustion biogas gas gas-air mixture and oxygen oxygen-enriched biogas biogas-air Karen Cacua1, Andrés Amell2, Luis Olmos3 1 Ingeniera Química, Magíster en Ingeniería, Universidad de Antioquia, Colombia. Miembro del Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas y Uso Racional de la Energía. karen.cacua@udea.edu.co 2 Master en Economía de la Energía y los Recursos Naturales. Docente Facultad de Ingeniería Universidad de Antioquia, Coordinador del grupo de Ciencia y Tecnología del Gas y Uso Racional de la Energía, Consejero Nacional del Programa de Investigación en Energía y Minería de Colciencias. anamell@udea.edu.co 3 Ingeniero Mecánico, estudiante de Maestría en Ingeniería Universidad de Antioquia. Miembro del Grupo de Ciencia y Tecnología del Gas y Uso Racional de la Energía . luis.olmos@udea.edu.co RESUMEN La búsqueda de alternativas energéticas de origen renovable y la disminución de gases de efecto invernadero provenientes de la descomposición de desechos orgánicos hacen del biogás una prometedora alternativa para la sustitución de combustibles fósiles y para la valorización energética de residuos orgánicos en zonas urbanas, rurales y agroindustriales. En el presente trabajo se realizó un análisis de sensibilidad de las propiedades de combustión del biogás con enriquecimiento de aire con oxígeno en un rango entre 22 y 35% O2. Los resultados indican que la velocidad de deflagración laminar, la temperatura de llama adiabática, el porcentaje en volumen de CO2, la temperatura de rocío y el porcentaje de H2O se incrementaron cuando el porcentaje de oxígeno en el aire fue mayor que 21% O2, mientras que propiedades como el volumen de aire estequiométrico, volumen de humos húmedos, volumen de humos secos y la energía mínima de ignición,disminuyeron. Palabras clave: biogás, aire enriquecido, gases de efecto invernadero, propiedades de combustión.
Research into renewable energy as energy alternatives and decreasing greenhouse gases from organic waste decomposition make biogas a promising alternative for fossil fuel substitution and an energy source from recovery of organic waste in urban, rural and agroindustrial areas. This paper presents a sensitivity analysis of oxygen-enriched biogas combustion properties ranging from 22% to 35%. Results showed that properties such as deflagration speed, adiabatic flame temperature, dew temperature and CO2 and H2O percentage increased when oxygen percentage in air was increased. On the other hand, properties such as minimum ignition energy, stoichiometric air volume and dry fume volume decreased when the O2 percentage in air was higher than 21%.
Keywords: biogas, oxygen enrichment, greenhouse gas, combustion property.
Recibido: marzo 5 de 2010. Aceptado: noviembre 24 de 2010
Introducción
En vista de las limitaciones actuales concernientes a la disponibilidad de combustibles de origen fósil y al cambio climático ocasionado por el aumento en las emisiones de gases de efecto invernadero, las investigaciones en el campo de los combustibles alternativos, los cuales son neutrales en las emisiones de CO2, se han incrementado en los últimos años. El biogás es una fuente de energía alternativa atractiva debido a que presenta una disponibilidad energética descentralizada, en tanto que su producción es posible siempre que existan fuentes de origen orgánico (Forsich et al., 2004).
El biogás se produce a partir de la fermentación anaerobia de 1-1,5% (H2), 0,3-3% N2 y varias impurezas, especialmente H2S. Utilizado como combustible presenta una baja densidad de energía en base volumétrica, comparada con otros combustibles gaseosos debido al alto contenido de CO2. Su velocidad de deflagración es menor comparada con otros gases como gas licuado del petróleo y gas natural; así mismo, presenta una mayor temperatura de autoignición y un intervalo de inflamabilidad menor. Estas diferencias se presentan debido a que la presencia de CO2 en el biogás ocasiona efectos térmicos y cinéticos que afectan las propiedades de combustión del biogás con respecto a las del metano, ocasionando que se disminuyan las posibilidades de aplicación como combustible en diferentes tecnologías (Forsich et al., 2004; Porpatham et al., 2008; Walsh et al.,1988).
No obstante, dado el potencial energético que tiene el biogás, éste puede ser utilizado en aplicaciones tales como cocción, calentamiento y generación de energía eléctrica mediante motores de combustión interna y turbinas a gas, lo cual implica buscar alternativas para mejorar las propiedades de combustión del biogás.
El enriquecimiento de aire con oxígeno es una prometedora técnica para mejorar las características de combustión de combustibles con baja densidad energética y baja velocidad de deflagración laminar (Qiu y Hayden, 2009). Durante la combustión el nitrógeno diluye el oxígeno reactivo y absorbe parte de la energía en los gases de escape debido a su alta capacidad calorífica, lo cual disminuye la eficiencia de combustión. Cuando el oxígeno es incrementado en el aire, el nitrógeno se reduce y la eficiencia de combustión se incrementa por lo que el consumo de combustible disminuye.
Varios investigadores han utilizado aire enriquecido con oxígeno para estudiar el proceso de combustión de varios combustibles, encontrando resultados benéficos tales como incrementos en la eficiencia de transferencia de energía, la temperatura de llama, el intervalo de inflamabilidad y la velocidad de deflagración, así como también la disminución de la energía de ignición (Baukal, 1998; Coombe y Nieh, 2007; Qiu y Hayden, 2009).
]]> Hasta el momento se han encontrado pocos estudios con respecto a la combustión del biogás con aire enriquecido con oxígeno. En 1986 Dahiya et al. realizaron un estudio sobre la producción eléctrica a partir de los productos de combustión del biogás con aire enriquecido por medio de un generador de potencia de ciclo abierto MHD (magneto-hidrodinámico), hallando que al aumentar el oxígeno en el aire la temperatura y la conductividad eléctrica de los productos de combustión se incrementaban. Aunque no se han hecho estudios que reporten el uso de esta técnica de enriquecimiento en aplicaciones de combustión convencionales del biogás, mientras la producción de oxígeno mediante técnicas criogénicas y membranas de separación comienza a bajar los costos y a estar disponible, no sólo en grandes escalas, sino también en medianas y bajas escalas de producción, hace que la investigación de los fenómenos cinéticos, térmicos, difusivos y fluidodinámicos de la combustión del biogás con aire enriquecido tenga en la actualidad una gran pertinencia.En este trabajo se realiza un análisis comparativo de las propiedades de combustión del biogás que se afectan cuando se modifica el contenido de oxígeno en el aire de combustión, para lo cual, una vez se estiman las propiedades con y sin enriquecimiento con oxígeno del aire, se efectúa un análisis de sensibilidad con el fin de identificar el orden de magnitud de sus variaciones.
Propiedades de combustión
Las propiedades de combustión de una mezcla combustiblecomburente se determinan con el propósito de conocer la disponibilidad energética por cantidad de combustible, las condiciones para que ocurra la combustión, los requerimientos de aire para una combustión completa y la cantidad y composición de los productos de combustión (Amell, A. A., 2002). A continuación se realiza una breve descripción de cada una de estas propiedades.
Volumen estequiométrico de aire (Va)
Es el volumen normal o estándar de aire requerido para quemar estequiométricamente 1 m3 normal o estándar de gas combustible.
Volumen de humos húmedos (Vhh)
Es el volumen total de humos, normal o estándar, producido por la combustión de un m3 normal o estándar de gas combustible; se expresa en m3 normales o estándar de humos húmedos/m3 normal o estándar de gas.
Volumen de humos secos (Vhs)
Es el volumen de humos secos, normal o estándar, producido por la combustión estequiométrica de un m3 normal o estándar de gas combustible. No se tiene en cuenta el agua producida; se expresa en m3 normales o estándar de humos secos/m3 normal o estándar de gas.
]]> Porcentaje máximo de CO2Es la relación entre el volumen de CO2 y el volumen de humos secos en porcentaje; en condiciones de combustión estequiométrica este valor es máximo.
Temperatura de rocío (TR)
La combustión de hidrocarburos (CxHy) e hidrógeno produce vapor, el cual se encuentra como vapor en los productos de combustión. La temperatura a la cual se inicia la condensación del vapor de agua en los productos de combustión se denomina temperatura de rocío. Ésta resulta importante en el estudio de la recuperación de la entalpía de vaporización del agua en los productos de combustión resultantes al quemar un combustible específico.
Temperatura adiabática de llama (Tad)
Es la máxima temperatura que alcanzan los productos de combustión cuando ésta se realiza en condiciones estequio-métrica y adiabática y no ocurren reacciones de disociación.
Velocidad de deflagración laminar (VL)
Conocida también como velocidad de llama, es la velocidad lineal a la cual viaja la llama a través de una mezcla gas-aire estática, la rapidez con la que avanza la combustión de la zona quemada a la zona sin quemar, o también como la rapidez con la que un combustible libera su energía. Este parámetro, igualmente, depende en gran forma del tipo de gas y la cantidad de aire con que éste se mezcle (Amell, A. A., 1998).
Mínima energía de ignición (EMI)
La energía mínima de ignición es una de las propiedades de combustión más importantes a considerar en el estudio del comportamiento de la propagación de la combustión. Se define como la cantidad de energía que es necesario suministrar a una mezcla combustible-aire para que la combustión se inicie, autosostenga y propague. Los factores a tener en cuenta para su cálculo son la composición del comburente y la presión de la mezcla (Amell, 2002; Lefebvre, 1999).
]]> Propiedades de combustión del biogás con aire normalTeniendo una idea conceptual de las propiedades de combustión y su aporte en la optimización del uso y manejo seguro de los combustibles gaseosos, es muy importante conocer cuáles son las propiedades de combustión que caracterizan al biogás con aire normal como comburente, las cuales sirven de base para el análisis comparativo del efecto del enriquecimiento con oxígeno del aire. En la tabla 1 se presentan las principales propiedades de combustión del biogás con aire normal para una mezcla estequiométrica, las cuales, como se observará en este estudio, se modifican al cambiar el contenido de oxígeno en el comburente.
Metodología
En este presente trabajo se cambió la composición del aire utilizado como comburente, aumentando el porcentaje de oxí-geno entre 21 y 35% en la mezcla reaccionante biogás-aire. La composición del biogás utilizada fue 40% de CO2 y 60% de CH4, composición típica en el biogás producido a partir de la digestión anaerobia de desechos orgánicos. Para el cálculo de las propiedades de combustión del gas a evaluar con diferentes porcentajes de enriquecimiento de oxígeno se tuvieron en cuenta las siguientes consideraciones (Amell, 2002):
La combustión del combustible y el comburente es estequiométrica, no existen reacciones de disociación.
El oxígeno se toma del aire atmosférico y éste se considera seco.
El combustible está en fase gaseosa; éste, y el aire, se consideran gases ideales.
]]> Se desprecia el efecto de la turbulencia y se considera una llama plana laminar sin estiramiento, esto es, sin fluctuaciones temporales del área superficial del frente de llama, fenómeno que tiene un efecto sobre la velocidad de deflagración real, variando, no permitiendo presentar un valor puntual (Law, 2006). Las reacciones estequiométricas utilizadas para el biogás con aire normal y con aire enriquecido se muestran en las ecuaciones 1 y 2.Aire normal (21% de O2)
 | (1) |
Aire enriquecido con oxígeno, donde r es la relación nitrógeno/aire.
 | (2) |
Teniendo en cuenta las reacciones 1 y 2 y los valores de r cuando la composición de O2 varía desde el 21 al 35%, se obtuvieron los valores para el volumen estequiométrico de aire, volumen de humos húmedos y secos, porcentaje máximo de CO2 en humos secos y la presión parcial del vapor de agua en los humos húmedos; el cálculo de estas propiedades para cada porcentaje de enriquecimiento se realizó utilizando la metodología propuesta por Amell et al. (2002).
El cálculo de la velocidad de deflagración laminar y la temperatura de llama adiabática se hizo por medio de simulaciones de la mezcla reaccionante a 298 K y 1 atm en el software ChemkinTM (Kee, R. J. et al., 2004) utilizando el mecanismo de reacción Grimech 3.0 (Smith et al., s/f).
El cálculo de la mínima energía de ignición se efectuó considerando una llama esférica y a partir de un balance entre el calor de reacción y las pérdidas de calor desde la superficie cuando la llama se inicia y comienza a crecer en un intervalo de tiempo que relaciona el frente de llama y la velocidad de deflagración (Kondo et al., 2003) (ecuación 3).
 | (3) |
donde dq es el diámetro crítico de enfriamiento, ρb es la densidad de los gases de combustión, Cav y λav son la capacidad calorífica y la conductividad térmica promedio de la mezcla gaseosa entre la temperatura adiabática (Tb) y la temperatura del combustible gaseoso antes de la combustión (Tu), respectivamente. Para determinar el diámetro crítico de enfriamiento se utilizó la siguiente expresión (Kondo et al., 2003):
]]> | (4) |
donde λg es la conductividad térmica del gas, Cp,g es la capacidad calorífica del gas, ρb es la densidad del gas y u´ es la intensidad de turbulencia. Para este estudio la turbulencia no se tuvo en cuenta debido a que se modeló un sistema de combustión de llama plana, donde las condiciones de régimen de flujo son laminares, por lo que la variable u´ tuvo un valor de 1.
Finalmente se realizó un análisis de sensibilidad, en el que se observó la variación proporcional de las propiedades de combustión de la mezcla biogás-aire a un cambio en la composición del aire debido al aumento en su contenido de oxígeno, para lo cual se introduce el factor de aire enriquecido con oxígeno FAEO. La sensibilidad se definió por medio de la siguiente ecuación:
 | (5) |
donde σ representa una medida del cambio de Y, respecto a su valor inicial, debido a una perturbación ΔX en X, en este caso la variable de entrada (X) es el factor de aire enriquecido con oxígeno FAEO y la variable respuesta la propiedad de combustión analizada. El factor de aire enriquecido se define como:
 | (6) |
Resultados y discusión
En la tabla 2 se observa la variación de las propiedades de combustión que se afectan con el enriquecimiento de aire con oxígeno.
]]>
Con base en los datos de las tablas 1 y 2 y la ecuación (3) se obtienen las gráficas que muestran la sensibilidad a la variación de FAEO en la mezcla biogás-aire de las propiedades Va, Vhs,Vhh, TR, Tad, VL y EMIN.
En las figuras 1, 2, 3 y 4 se muestra la sensibilidad de algunas propiedades de combustión del biogás con el aumento del porcentaje de oxígeno en el aire como comburente. Como se observa en la figura 1, la velocidad de deflagración laminar presenta una sensibilidad positiva, aumentando con el FAEO.
En consecuencia, la transmisión de la combustión desde la zona quemada a la zona sin quemar es mayor, lo cual refleja una mayor reactividad de la mezcla, mitigando en parte el efecto adverso que tiene la presencia de CO2 sobre la velocidad de deflagración laminar. Es decir, la adición de oxígeno atenúa el efecto de disminución de la velocidad de deflagración por la ocurrencia de fenómenos cinéticos como la disminución en las velocidades de reacción y térmicos debido a la absorción de energía derivados de la presencia del CO2 en el biogás.
Debido a una mayor presencia de oxígeno la temperatura adiabática de llama aumenta, como puede verse en la figura 1; este aumento es de gran utilidad cuando se requieren utilizar los productos de combustión en sistemas de recuperación de calor y cogeneración.
Como se deduce de la figura 2, al tener un mayor porcentaje de oxígeno se requiere menos aire para la combustión estequiométrica del biogás; de igual forma, se produce una menor cantidad de humos debido a que se disminuye la cantidad de nitrógeno presente.
La temperatura de rocío aumenta con el enriquecimiento de aire, como se registra en la figura 3, debido a que la presión parcial del vapor de H2O aumenta a consecuencia de la disminución del volumen de humos húmedos, lo cual hace que en los sistemas de evacuación de humos se aumente el riesgo de corrosión por la mayor facilidad de condensación del vapor de agua.
En la figura 4 se muestra el efecto que tiene el enriquecimiento de aire en la energía mínima de ignición; como puede notarse, esta propiedad presenta una gran sensibilidad al enriquecimiento del aire con oxígeno respecto de las otras propiedades estudiadas, lo que se explica porque el oxígeno proporciona una mayor reactividad a la mezcla, haciendo que su ignición requiera una menor cantidad de energía bajo las condiciones estudiadas.
]]> ConclusionesEl enriquecimiento del aire con oxígeno de la mezcla aire-biogás mejora algunas de sus propiedades de transporte como la conductividad térmica, e incrementa la velocidad de las reacciones de oxidación durante la combustión, atenuando los efectos negativos de la presencia del C02 en el biogás.
La velocidad de deflagración laminar, al igual que la energía mínima de ignición, presentaron la mayor sensibilidad al enriquecimiento del aire con oxígeno en el proceso de combustión del biogás.
El enriquecimiento del aire con oxígeno en la combustión del biogás disminuye el volumen estequiométrico de aire y el volumen de humos, e incrementa la temperatura de llama adiabática, la temperatura de rocío y el porcentaje máximo de CO2.
La velocidad de deflagración laminar del biogás presenta alta sensibilidad, aumentando con el incremento del oxígeno en el aire. Este efecto podría compensar el impacto negativo que tiene la presencia de inertes como el CO2 en la reactividad del biogás.
La energía mínima de ignición se afecta significativamente, disminuyendo por el enriquecimiento de aire con oxígeno a consecuencia de un aumento en la reactividad de la mezcla y la velocidad de deflagración.
La gran disminución de la energía mínima de ignición con el enriquecimiento de aire con oxígeno, hace que su estudio sea de gran interés para trabajos futuros, ya que al enriquecer el aire con oxígeno hasta llegar a tener oxígeno puro se tendrían menores tiempos de autoignición y el intervalo de inflamabilidad se incrementaría significativamente.
El enriquecimiento de aire con oxígeno ofrece un potencial para aprovechar un combustible de origen renovable como biogás e investigar su posible utilización en tecnologías disponibles para gas natural.
Agradecimientos: Los autores agradecen a Colciencias por la financiación del proyecto "Optimización de motores duales diesel-biogás para la generación de electricidad en el piso térmico colombiano", del cual hacen parte hace los resultados presentados en este artículo, y a la Universidad de Antioquia, "Estrategia para la sostenibilidad de grupos A1 y A, años 2009 / 2010", por la financiación complementaria.
Referencias
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