Análisis 127: Intercambiabilidad de gases - AGA Bulletin 36

Estudio de la intercambiabilidad de gases y comparación de resultados con AGA Bulletin 36

Análisis de la intercambiabilidad entre G20 y G222 (gas sustituto).

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Un gas sustituto debe arder satisfactoriamente con un cambio insignificante en el rendimiento del quemador en todos los tipos de quemadores sin necesidad de un ajuste especial. Los requisitos importantes para un desempeño satisfactorio son que, a pesar de algunas variaciones en la composición del gas, la entrada de calor debe permanecer razonablemente constante, la llama debe permanecer estable, no debe haber una formación significativa de monóxido de carbono u hollín y la ignición debe ser satisfactoria. Debe tenerse en cuenta que la estabilidad de la llama y la integridad de la combustión son funciones no solo de las propiedades del gas sino también del diseño del quemador.

Sin embargo, algunas aplicaciones industriales plantean diferentes problemas, como la composición química en la operación de generación de atmósferas protectoras exotérmicas y endotérmicas, y las dimensiones de la llama/perfil de temperatura en las llamas para trabajar el vidrio. El método más confiable para evaluar la intercambiabilidad de un suministro de gas alternativo es operar en el laboratorio los aparatos y aplicaciones industriales más críticos que se encuentran en el distrito; la intercambiabilidad está indicada por el rendimiento en los gases sustitutos propuestos después del ajuste inicial en el gas de referencia. Desafortunadamente, tales métodos consumen mucho tiempo.

La intercambiabilidad de los gases combustibles se ha calculado mediante el uso de diferentes criterios; sin embargo, en la actualidad, es difícil saber si algún método es totalmente fiable. La razón principal de este desacuerdo es que los criterios de intercambiabilidad actuales no son leyes fundamentales sino empíricos; por lo tanto, diferentes gases y diferentes diseños de quemadores tienen diferentes límites.

• El análisis mediante el método de intercambiabilidad de Weaver permite extraer las siguientes conclusiones sobre la transición de gas natural a mezclas de gas natural/hidrógeno en unidades de gas comerciales y domésticas. Los primeros cuatro índices dan un resultado negativo:

  – en términos de relación de tasa de calor, la intercambiabilidad no se logra cuando el contenido de hidrógeno en la mezcla es superior al 10% en volumen;

  – en cuanto a la relación de aire primario, la combustión de las mezclas, en cualquier caso, se produce con factores de exceso de aire aumentados, lo que irá acompañado de la reducción del rendimiento de la unidad y del peligro de elevación de la llama

  (especialmente cuando el contenido de hidrógeno en la mezcla es superior al 20% en volumen);

  – en términos del índice de elevación, cualquier contenido de hidrógeno aumenta la probabilidad de este efecto adverso;

  – en términos del índice de retroceso de la llama, cualquier contenido de hidrógeno también conlleva el peligro de un efecto adverso en los quemadores.

  Cabe señalar que los índices de elevación y retroceso de llama, que son los más negativos, se obtuvieron para quemadores con mezcla preliminar parcial de gas con aire, es decir, para quemadores de inyección. Por lo tanto, por ejemplo, para estufas de gas domésticas, el resultado del análisis utilizando el método Weaver es realmente crítico. Significa que la transición de los quemadores de gas de gas natural a mezclas de gas natural/hidrógeno deberá ir acompañada de cambios en el diseño de los quemadores, equipo de tiro forzado y dispositivos de estabilización de la combustión, así como cambios en la operación del quemador.

El uso de mezclas de gas natural/hidrógeno, incluso en el sector doméstico, es un paso intermedio efectivo en la descarbonización de las actividades humanas. Esta decisión permite asegurar la reducción proporcional de las emisiones de СО2 sin cambios en el diseño de los quemadores y equipos de gas. El problema principal en tal transición es el contenido de hidrógeno permisible en la mezcla que no cambiaría los parámetros de eficiencia de utilización de combustible gaseoso, desempeño ambiental y seguridad.

Lo anterior requiere una aplicación muy cuidadosa y responsable de los criterios de intercambiabilidad caso por caso. Con base en los análisis y estudios realizados, es seguro decir que el uso de una mezcla de gas natural/hidrógeno con un contenido de hidrógeno de 10% vol. es permisible para quemadores de inyección de estufas de gas domésticas y equipos de baja potencia sin cambios en su diseño y funcionamiento. En varios casos, es posible un mayor contenido de hidrógeno (hasta 15–20% vol.), lo que, sin embargo, requiere pruebas adicionales.

Los quemadores de tiro forzado de las calderas industriales y de calefacción no son propensos a retroceder ni a elevar la llama debido a la naturaleza de la organización de la combustión. En este caso, es posible recomendar el funcionamiento seguro de los dispositivos que utilizan una mezcla con un contenido de hidrógeno de hasta 20–25 % en volumen. Lo mismo ocurre con las calderas de baja potencia con métodos modernos de estabilización de la combustión. Sin embargo, debemos considerar la reducción de la tasa de calor acompañante (hasta un 15-20%) y evaluar de antemano la capacidad técnica de compensación de este fenómeno, por ejemplo, aumentando el consumo de combustible.