Caracterización de la formación de NOx térmicos en quemadores de difusión de hidrógeno y análisis de nuevas alternativas de diseño para calderas

• ZUZENDARIAK: Isabel Álava and Jesús María Blanco
• UNIBERTSITATEA: UPV-EHU 

LABURPENA

Energia berriztagarrien esparruan hidrogeno berdeak bektore energetiko gisara jarduteko eskaintzen dituen aukerek, teknologia hau berotegi efektudun gasen isurketa eta erregai fosilekiko menpekotasuna murrizteko alternatiba interesgarri bilakatu du. Hidrogenoaren erabilerari dagokionez, honako doktoretza tesia etxebizitza eta industria galdaretako erregailuetan zentratuko da, gas naturalaren ordezko erregai gisa kontsideratuz. Horrenbestez, hidrogenoaren errekuntzak karbono dioxidoa bezalako berotegi efektududun gasen eta karbono monoxidoa bezalako gas toxikoen isurketak ezabatuko lituzke.

Erregailuetan ematen den errekuntza prozesua erregai mota eta honen ezaugarriek baldintzatzen dute. Zentzu honetan, nabarmenak dira hidrogenoaren eta gas naturalaren propietate fisiko-kimikoen arteko ezberdintasunak, errekuntza prozesuan eragin zuzena izanik. Zehazki, hidrogenoaren sukoigarritasun tarte zabalagoaren ondorioz, aurre-nahasketa edo aurre-nahasketa partzialdun errekuntza baldintzetan sugar frontearen flashback arriskua areagotzen da, sistema osoa arriskuan jarriz. Bestalde, sugarrean ematen diren tenperatura altuek, NOx termikoen sorkuntza areagotzen dute, gas honen isurketek ingurumenean eta gizakien arnas aparaturan kalte zuzenak izan ditzazketelarik. Ondorioz, aurkeztutako ezaugarriek gas naturalaren ordez hidrogeoa erabiltzea zailtzen dute, flashback arriskua ekiditeko eta NOx termikoen sorkuntza murrizteko hidrogeno erregailuen diseinu alternatiba berriak planteatzeko beharra agerian utziz.

Hortaz, flashback arriskua guztiz baztertze aldera, difusio sugarren teknologia aukeratu zen, sugar anitzdun erregailu konfigurazioak kontsideratuz. Honek doktoretza tesia NOx termikoen sorkuntzara bideratzea ahalbidetu zuen. Abiapuntu gisa sugar konfigurazio sinple bat definituz, lan baldintza ezberdinen arabera (potentzia termikoa, gehiegizko airea eta sugar erregimena) NOx termikoen sorkuntza ezaugarritu zen. Ezaugarritze honetan jasotako emaitzek sugarraren erregimenaren araberako (laminar-turbulentu) diseinu alternatiba ezberdinak planteatzea ahalbidetu zuten.

Emaitza hauek aintzat hartuz, sugar anitzdun erregailu turbulentu baten aldeko hautua egin zen, gas turbinetan erabili izan den Micromix errekuntza teknologia kontsideratuz. Kontzeptu hau sugar turbulentu txikien sorkuntzan oinarritzen da, sugar bakoitza bi zurrunbiloren artean egonkortzen delarik. Zurrunbiloen sorkuntza airea eta erregailuaren arteko talkak eragiten dute, hidrogeno eta airearen fluxu perpendikularren eraginarekin batera. Galdara eta gas turbinen lan baldintzen desberdintasunak direla eta, etxebizitza eta industria galdaretako erregailuetarako Micromix teknologiaren bideragarritasuna aztertu zen. Emaitzen arabera, lan baldintza eta dimentsio geometriko berriak definituta gas turbinetan lortutako antzeko ezaugarriak mantentzea lortu zen, legedian ezarritako NOx isurketa mugak kontuan izanik, proposatutako etxebizitza eta industria eskalako erregailuetan NOx kontzentrazio maila baxuak erakutsiz.

Metodologiari dagokionez, hasierako ezaugarritzea eta Micromix erregailuen bideragarritasun analisia fluidoen dinamika konputazionalaren (CFD) bidezko kalkuluen bitartez burutu zen, ANSYS Fluent softwarea erabili zelarik. Kalkuluetan errekuntza prozesua simulatzeko tasa finituko eta FGM errekuntza modeloak erabili ziren, sugar laminarrak eta turbulentuak simulatzeko hurrenez hurren. Sugar turbulentuetako fluxua RANS ikuspegia kontsideratuz simulatu zen. Simulazioen balioztatzerako tenperatura eta NOx termikoen neurketa esperimentalak burutu ziren, kontsideratutako kasu bakoitzerako prototipo bereziak fabrikatzeaz gain muntaketa esperimental espezifikoak erabiliz.

Tesi honetan aurkeztutako emaitzak inpaktu-indize altudun aldizkari zientifikoetan publikatu dira.