Investigación experimental de la combustión de metano con alta concentración de hidrogeno en un reactor divergente de medio poroso inerte

Abstract

Este trabajo presenta una investigación experimental del proceso de combustión de metano (CH4) con alta concentración de hidrógeno (H2) en un reactor divergente de medio poroso inerte (MPI). Se estudia el marco teórico asociado a la combustión en MPI, mezclas CH4 - H2 y reactores de sección transversal divergente. Se monta un Set-Up en laboratorio y se desarrolla un respectivo procedimiento experimental para operar el reactor y medir variables de interés como temperatura, caudales, potencia, velocidad de filtración y emisiones de gases. Durante el desarrollo de las pruebas experimentales se encontraron 12 puntos de operación con frente de llama estabilizado, logrando operar de manera segura el reactor utilizando mezclas CH4 - H2 de razón de equivalencia (ϕ) de 0.7, 0.6 y 0.5, en el rango de 0 - 70 % de fracción volumétrica de H2. La temperatura máxima alcanzada fue de 1460 °C, las temperaturas dentro del reactor se redujeron al disminuir la razón de equivalencia y tendieron a elevarse al aumentar la presencia de H2. El rango de potencia del reactor es 3.52 - 4.01 kW. La velocidad de filtración en la salida es significativamente menor que en la entrada, debido a la naturaleza divergente del reactor. Las emisiones de CO son de hasta 16 ppm para mezclas con ϕ = 0.7 y 0.6, y de 70 ppm para mezclas con ϕ = 0.5. El CO2 medido superó apenas un 0.6 % volumétrico. El NOx registró emisiones de 2.4 ppm para mezclas con ϕ = 0.7 y no registró emisiones para otros ϕ. El O2 medido se mantuvo en un rango de entre 19 - 20 % volumétrico. En términos de energía, el CO registró emisiones de 146 mg/kWh para mezclas con ϕ = 0.7 y 0.6, y 536 mg/kWh para mezclas con ϕ = 0.5, mientras que el NOx tuvo un máximo de 44 mg/kWh en mezclas con ϕ = 0.7.