Análisis 137: Combustión adiabática con aire enriquecido de oxígeno

El aire enriquecido con oxígeno mejora la eficiencia térmica de los motores (alrededor del 15 %) y reduce significativamente las emisiones de hollín.

Una cámara de combustión en situación estacionaria y adiabática quema CH₄ con aire enriquecido con oxígeno al 25%. Comparar los resultados con el empleo de la composición de aire (79 % N₂ y 21 % O₂).

Se quema un 150% de aire seco sobre el estequiométrico.

Reacción 1: 0.5 N₂ + 0.5 O₂ <--> NO

Reacción 2: NO + 0.5 N₂ <--> N₂O

Reacción 3: 0.5 N₂ + O₂ <--> NO₂

Reacción 4: 2 NO₂ <--> N₂O₄

Reacción 5: CO₂ <--> CO + 0.5 O₂

Reacción 6: H₂O <--> H₂ + 0.5 O₂

Reacción 7: H₂O <--> OH + 0.5 H₂

La combustión de combustibles fósiles con aire enriquecido de oxígeno o con oxígeno casi puro, en lugar de aire, presenta una oportunidad para simplificar la captura de dióxido de carbono (CO₂) en las aplicaciones de las centrales eléctricas. La producción de energía de oxicombustión proporciona oxígeno al proceso de combustión al separar el oxígeno del aire. Sin embargo, el costo de capital, el consumo de energía y los desafíos operativos de la separación de oxígeno son el desafío principal de los sistemas de oxicombustión competitivos en costos. El rendimiento del sistema de oxicombustión se puede mejorar de dos maneras: (i) reduciendo el costo del oxígeno suministrado al sistema y (ii) aumentando la eficiencia general del sistema.

El O2 se enriquece al 25%

La mezcla de aire enriquecido en plantas químicas industriales se produce actualmente mezclando una corriente de oxígeno puro con una corriente de aire atmosférico. El oxígeno puro se produce mediante la separación criogénica del aire y, como posible alternativa, especialmente para procesos más pequeños, mediante la separación por membranas. La demanda energética para la producción de oxígeno es alta para ambas tecnologías y, en consecuencia, para lograr la producción de aire enriquecido. Además, es importante considerar que la implementación del enriquecimiento de oxígeno requiere inversiones en un sistema de suministro de oxígeno adecuado, con una unidad de control dedicada al inyector de oxígeno, a fin de garantizar procedimientos operativos fiables y seguros.

Diagrama de Ostwald

Aire enriquecido con O2:

Diagrama de Ostwald para 25% de O2 enriquecido

El empleo de aire enriquecido con oxígeno genera menor cantidad de nitrógeno en los productos de combustión. Como es ya sabido, el balance de materia es la base para el balance de energía, a fin de obtener la temperatura adiabática de la llama (temperatura a la que se producirá la disociación química de los productos de combustión, ya que esas son las condiciones de trabajo de la cámara de combustión definidas en el enunciado). Al aumentar la proporción de oxígeno en el aire aumenta considerablemente la temperatura adiabática de la llama, y con ello las emisiones de NOx (según el modelo aplicado de equilibrio químico). Sin embargo, la entropía generada decrece, y con ello aumenta la eficiencia exergética de proceso.

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. 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.

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.