Tesis:
Estudio experimental de la inflamabilidad de mezclas gaseosas de CH4, H2 y CO2 en aire y su potencial energético
- Autor: AMEZ ARENILLAS, Isabel
- Título: Estudio experimental de la inflamabilidad de mezclas gaseosas de CH4, H2 y CO2 en aire y su potencial energético
- Fecha: 2022
- Materia: Sin materia definida
- Escuela: FACULTAD DE INFORMATICA
- Departamentos: AEROTECNIA
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/70319/
- Director/a 1º: GARCIA TORRENT, Javier
- Resumen: The current environmental crisis has led the European Union to set ambitious decarbonisation targets for 2030 and 2050. Reaching them depends on the ability of researchers and industry to find new energy systems that allow a stable, efficient, and secure supply. In this scenario, renewable gases such as biogas and hydrogen are of great importance, although their integration into conventional energy system still must overcome technological, economic, and social barriers. Particularly it is essential to improve aspects such as biogas combustion efficiency, or hydrogen safety problems. Among all the techniques developed in recent years to improve these conditions, this work focuses on the enrichment of gaseous fuels with hydrogen. This technique has been studied and applied in recent decades to improve the combustion characteristics of natural gas, with up to 5% H2 currently being injected into the gas network. CH4-H2 mixtures therefore have great energy potential. Renewable energy production systems, such as biogas plants, contain this mixture together with other gases such as CO2, as it is the main component of biogas. CO2 is an inert gas with a great impact on combustion and on the flammability characteristics, so the main objective of this research is to establish the conditions for the safe use and optimal energy exploitation of methane-hydrogen mixtures in air, in the presence or not of carbon dioxide. To this end, an exhaustive experimental study has been carried out, focusing firstly on the flammability characteristics of CH4-H2-CO2 mixtures in air. Parameters such as the lower and upper flammability limits, the limiting oxygen concentration and the flammable regions of ternary and quaternary mixtures have been evaluated. The tests have been carried out in the spark test apparatus or STA, for which a new experimental method has been developed based on the graphical representation of the flammability parameters in ternary diagrams. In addition, for a better understanding of the dual effect of hydrogen and carbon dioxide in the quaternary mixture, a new three-dimensional graph is presented in this study. This graph is designed to evaluate the effect of the addition of H2 to the flammable region of CH4 in the presence of CO2. Finally, once the safe operating conditions of the quaternary mixture have been established, its combustion behaviour has been studied. Efficiency parameters such as temperature and flue gas composition, or combustion stability parameters such as ignition behaviour or flame structure have been analysed in a conventional 100 kW natural gas burner. The tests were performed for three different biogas compositions: BG70 (30% CO2), BG60 (40% CO2) and BG50 (50% CO2). To achieve higher flame stability, each biogas was enriched with hydrogen from 5% to 25%. The results reveal a volume of flammable mixtures lower than expected, which is mainly due to the oxygen demand of CH4 and H2 in the mixture. The flammability results obtained are closely related to the experimental combustion results, confirming the difficulty of burning biogas in conventional systems. After analysis of the results, it is observed that the addition of hydrogen leads to improvements in combustion parameters, which also leads to an increase in the flammable regions of methane in air. This effect is counteracted by CO2, destabilising the combustion, and reducing the temperature and therefore the usable energy. The optimal operating points are detailed in this study. ----------RESUMEN---------- La crisis medioambiental actual ha llevado a la Unión Europea a marcar ambiciosos objetivos de descarbonización para 2030 y 2050. Alcanzarlos depende de la capacidad de investigadores e industria de encontrar nuevos sistemas energéticos que permitan un suministro estable, eficiente y seguro. En este escenario, los gases renovables como el biogás y el hidrógeno cobran gran importancia, a pesar de que su integración en el sistema energético convencional aún debe superar barreras tecnológicas, económicas y sociales. En concreto, es esencial mejorar aspectos como la eficiencia de combustión del biogás, o los problemas de seguridad industrial asociados al uso y manejo del hidrógeno. De entre todas las técnicas desarrolladas en los últimos años para mejorar estas condiciones, este trabajo se centra en el enriquecimiento de combustibles gaseosos con hidrógeno. Esta técnica se ha estudiado y aplicado en las últimas décadas para mejorar las características de combustión del gas natural, llegándose a inyectar actualmente hasta un 5% de hidrógeno en la red gasista. Las mezclas CH4-H2 tienen por tanto un gran potencial energético. En los sistemas de producción de energías renovables, como en las plantas de biogás, encontramos esta mezcla junto a otros gases como el CO2, ya que es el componente principal del biogás. El CO2 es un gas inerte con un gran impacto en la combustión y en las características de inflamabilidad de la mezcla en aire, por lo que el objetivo principal de esta investigación es establecer las condiciones de utilización segura y el aprovechamiento energético óptimo de las mezclas metano-hidrógeno en aire, en presencia o no de dióxido de carbono. Para ello, se ha llevado a cabo un exhaustivo estudio experimental centrado, en primer lugar, en las características de inflamabilidad de las mezclas CH4-H2-CO2 en aire. Se han evaluado parámetros como los límites inferior y superior de inflamabilidad, la concentración límite de oxígeno y las regiones inflamables de las mezclas ternarias y cuaternarias. Los ensayos se han llevado a cabo en el ruptor de seguridad intrínseca o STA, para lo que se ha desarrollado un nuevo método experimental basado en la representación gráfica de los parámetros de inflamabilidad en los diagramas ternarios. Además, para una mayor comprensión del efecto dual del hidrógeno y el dióxido de carbono en la mezcla cuaternaria, se presenta en este estudio un nuevo gráfico tridimensional. Este gráfico se diseña para evaluar el efecto de la adición del H2 a la región inflamable del CH4 en presencia de CO2. Por último, una vez establecidas las condiciones seguras de operación de la mezcla cuaternaria, se ha estudiado su comportamiento en la combustión. Parámetros de eficiencia como la temperatura y composición de gases de escape, o de estabilidad de combustión como el comportamiento de ignición o la estructura de llama se han analizado en un quemador convencional de gas natural de 100 kW. Las pruebas se realizaron para tres composiciones diferentes de biogás: BG70 (30% de CO2), BG60 (40% de CO2) y BG50 (50% de CO2). Para lograr una mayor estabilidad de la llama, cada biogás se enriqueció con hidrógeno del 5% al 25%. Los resultados revelan un volumen de mezclas inflamables menor al esperado, lo que se debe principalmente a la demanda de oxígeno del CH4 y el H2 en la mezcla. Los resultados de inflamabilidad obtenidos se relacionan estrechamente con los resultados experimentales de combustión, confirmando la dificultad de quemar biogás en sistemas convencionales. Tras el análisis de resultados se observa que la adición de hidrógeno implica mejoras en los parámetros de combustión lo que supone también un aumento de las regiones inflamables de metano en aire. Este efecto queda contrarrestado por el CO2, desestabilizando la combustión y reduciendo la temperatura y por tanto la energía aprovechable. Los puntos óptimos de operación se detallan en este estudio.