El blending de hidrógeno en el gas natural aumenta la posibilidad de retroceso de la llama
Es conocido por todos que para que exista una combustión son necesarios 3 elementos: Combustible, comburente y una fuente de ignición. En el caso del H₂, el propio gas actúa de combustible, y el oxígeno del propio aire actúa de comburente. La energía mínima necesaria para iniciar la ignición, a presión atmosférica, es de 0,02mJ, como podéis observar en la siguiente imagen, un valor extremadamente bajo en comparación de otros gases.
Ese es el principal motivo por el cual es obligatorio el cumplimiento de la normativa ATEX, debido al riesgo de explosiones al manipular el hidrógeno. Análogamente, su rango de inflamabilidad es muy amplio, con concentraciones en aire del 4 al 75%, la mezcla que se genera es explosiva. Como podéis observar, tiene un rango mayor que para el resto de gases combustibles.
En la gráfica de la derecha, se puede comprobar como a mayor temperatura, el límite de inflamabilidad del hidrógeno en el aire se ensancha. Tampoco os penséis que al llevar a cabo la combustión el tema mejora mucho. Una vez iniciada la combustión, se obtiene una llama prácticamente invisible al ojo humano, que solamente las impurezas propias del ambiente, como pueden ser polvo, fibras… pueden añadir cierta visibilidad a la llama (como se puede observar en la tercera imagen donde la combustión se llevó a cabo en un quemador de difusión con 100% Hidrogeno).
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Anécdota a modo de curiosidad
En los Juegos Olímpicos de Tokio 2020, que se celebraron en el verano de 2021 a causa de la pandemia Covid-19, se empleó hidrógeno como combustible para la antorcha olímpica.
Las autoridades niponas incluyeron una concentración residual de carbonato sódico, para de ese modo, obtener una llama de color azul, visible para todos los espectadores, con la clara intención de evitar las suspicacias
Pero su invisibilidad NO le quita peligrosidad, ya que, el hidrógeno irradia poco calor infrarrojo, por su baja emisividad, pero en cambio, dispone de una radiación ultravioleta sustancial. Con todo esto que quiero transmitir, que, aunque no se vea la llama o se sienta poco calor en las cercanías, si acercamos la mano, obviamente sufriremos una quemadura importante. Porque la temperatura adiabática de la llama de hidrógeno es de 2400 K aproximadamente. Esto hace que sea imprescindible el uso de detectores de llama en los quemadores para evitar sustos, para ello se utilizan sensores ópticos, UV o IR, o cámaras termográficas (como es el caso de la imagen 3).
Como se puede observar en la siguiente gráfica, la velocidad laminar (SL) de la llama aumenta sustancialmente al incrementar el contenido del hidrógeno en la mezcla, lo que le hace ser más propenso en la aparición del retroceso de llama.
En particular, la velocidad de la llama laminar aumenta (x6), de SL = 0,4 m/s a SL = 2,3 m/s, cuando se cambia de gas natural a hidrógeno en condiciones estequiométricas.
Por lo que, como resumen, tanto la velocidad de la llama como la temperatura de la llama aumentan para mezclas de gases con una composición de hidrógeno creciente.
Como hemos analizado en otros análisis, la formación de NOx aumenta al pasar a la combustión de hidrógeno. Si os preguntáis porque, la respuesta es el aumento de la temperatura de la llama. En la siguiente imagen, se puede ver como el blending de hidrógeno sobre el gas natural aumenta la temperatura de la llama adiabática que se genera. Aproximadamente, unos 200 K más respecto a la llama de 100% gas natural.
- La temperatura de la llama de hidrógeno se puede reducir, por ejemplo:
-Aumentando el exceso de aire de combustión (como se observa en la gráfica anterior cuando el ratio estequiométrico supera 1).
-Utilizando la recirculación de gases de combustión.
- Otra estrategia es reducir el tiempo de residencia:
-Aumentando la velocidad de la mezcla de hidrógeno/aire.
-Mejorando la mezcla de los reactivos.
-Reduciendo simultáneamente el tiempo de residencia de estos reactivos en los puntos calientes de la llama.
Y os preguntareis ¿Por qué es interesante la velocidad laminar de la llama de hidrógeno?
La velocidad laminar que hemos descrito previamente, SL, se define como la velocidad a la que se propaga un frente de llama con respecto al gas no quemado para una llama premezclada que se propaga libremente en una dimensión.
La LLAMA ES ESTABLE, cuando la velocidad del flujo y la velocidad de propagación del frente de la llama son IGUALES.
LLAMA SE DESPRENDE, cuando la velocidad de propagación del frente de llama es MAYOR que la velocidad del flujo.
LLAMA RETROCEDE, cuando la velocidad de propagación del frente de llama es MENOR que la velocidad del flujo.
El desprendimiento no es tampoco es correcto, sin embargo, el retroceso de la llama es MUY PELIGROSO para la seguridad.
¿Cómo saber si habrá RETROCESO o DESPLAZAMIENTO de llama con el blending de hidrógeno?
El potencial de combustión, C, es una medida indirecta (proporcional) de la velocidad de propagación de la llama producida en la combustión del gas, representando por tanto su tendencia al soplado o calado.
El potencial de combustión de una mezcla se calcula relacionando % volumétrico de cada componente presente en el gas con una constante intrínseca de cada gas puro y la densidad relativa del gas con respecto al aire.
-Cuanto mayor es el valor de C, más corta es la llama. Por lo que aumenta la posibilidad de que se produzca retroceso de llama.
-Cuanto menor es el valor de C, más larga es la llama, aumentando la probabilidad de que se produzca un desprendimiento de llama.
Por lo que, el blending de hidrógeno en el gas natural aumenta la posibilidad de retroceso de la llama. En esta serie de análisis habréis podido observar que no he entrado a valorar el tema económico. Hoy en día, el precio del gas natural europeo ronda los 40 €/MWh, por lo que, el hidrógeno solo sería competitivo como combustible en escenarios donde el precio del gas natural fuera desorbitado, como, por ejemplo, el pico tras la Guerra de Ucrania en 2022 (+300 €/MWh).
Cierto es que la sustitución de gas natural por hidrógeno traería consigo el concepto de emisiones de CO₂ abatidas, por el cual, nos ahorraríamos el impuesto al CO₂ (70 €/t CO₂). Asumiendo que la generación de un MWh emite unos 200 kg CO₂, estamos hablando de una penalización por las emisiones de unos 14 €/MWh. Por lo que, en la coyuntura actual no parece razonable quemar hidrógeno renovable desde el punto de vista económico.
Ager Prieto Elorduy es analista del sector energético. Ingeniero de procesos en la Ingeniería española Sener.
Encuentre la nota en: https://elperiodicodelaenergia.com/como-se-comporta-la-llama-de-la-combustion-en-el-blending-de-hidrogeno/
