Vol. 35 Núm. 1 (2022): Revista ION
Artículos

Análisis evaluativo de mecanismos de reacción para modelar la combustión de gases derivados de biomasa

PDF
  • David Sebastian Pérez Gordillo,
  • Juan Miguel Mantilla González
David Sebastian Pérez Gordillo
Universidad Nacional de Colombia
Juan Miguel Mantilla González
Universidad Nacional de Colombia
DOI: https://doi.org/10.18273/revion.v35n1-2022009

Publicado 2022-07-30

Palabras clave

  • Biomasa,
  • Gas de síntesis,
  • Combustión,
  • Cinética química,
  • Mecanismo de reacción,
  • Retraso de encendido
    • ...Más
    Menos

Cómo citar

Pérez Gordillo, D. S., & Mantilla González, J. M. (2022). Análisis evaluativo de mecanismos de reacción para modelar la combustión de gases derivados de biomasa. Revista ION, 35(1), 117–132. https://doi.org/10.18273/revion.v35n1-2022009

Derechos de autor 2022 David Sebastian Pérez Gordillo, Juan Miguel Mantilla González

Creative Commons License

Esta obra está bajo una licencia internacional Creative Commons Atribución 4.0.

Resumen

Parte fundamental en la simulación de procesos de combustión es modelar con la mayor exactitud posible la cinética química que tiene lugar en el fenómeno. Por otro lado, en simulaciones complejas de combustión que involucran la dinámica de fluidos computacional (CFD) del sistema, el recurso computacional es un factor crítico para tener en cuenta. Con base en lo anterior, en este estudio se evalúa el desempeño de cuatro mecanismos de reacción semidetallados (DRM22, C1-C4 de Heghes,
GRI 3.0 y Konnov), para modelar la cinética de combustión de gases de síntesis derivados de biomasa en simulaciones CFD (motores, turbinas, quemadores, entre otros). La metodología consiste en la realización de pruebas computacionales para obtener resultados relacionados con la variable retraso al encendido. Dichas simulaciones se llevaron a cabo en un reactor a presión constante variando
diferentes parámetros de la combustión. Los resultados obtenidos con los mecanismos semidetallados se compararon con los obtenidos con un mecanismo detallado (Westbrook), por medio del cálculo de errores. Se encontró que la aplicabilidad de cada modelo cinético depende de las variables del proceso analizadas, donde la calidad de sus predicciones siempre es inversamente proporcional al contenido de hidrógeno en el combustible. Cabe resaltar que el mecanismo GRI 3.0 presentó el mejor desempeño
global.

PDF

Descargas

Los datos de descargas todavía no están disponibles.

Referencias

  1. Cerdá E.Energía obtenida a partir de biomasa. Cuad. Económicos ICE. 2012;(83):117-40. doi.org/10.32796/cice.2012.83.6036
  2. Monteiro E, Sotton J, Bellenoue M, Moreira N. A, Malheiro S. Experimental study of syngas combustion at engine-like conditions in a rapid compression machine. Exp. Therm. Fluid Sci. 2011;35(7):1473–1479. doi.org/10.1016/j.expthermflusci.2011.06.006
  3. Pérez Gordillo D. Estudio computacional de la combustión premezclada de un gas producto de la gasificación de biomasa en un motor de combustión interna (MCI) (tesis de maestría en Ingeniería Mecánica). Bogotá, Colombia: Universidad Nacional de Colombia; 2019.
  4. Martínez JD, Mahkamov K, Andrade RV, Silva Lora E. E.Syngas production in downdraft biomass gasifiers and its application using internal combustion engines. Renewable Energy. 2012;38(1):1–9. doi.org/10.1016/j.renene.2011.07.035
  5. Tinaut FV, Melgar A, Horrillo A, De La Rosa A. D. Method for predicting the performance of an internal combustion engine fuelled by producer gas and other low heating value gases. Fuel Processing Technology. 2006;87(2):135–142. doi.org/10.1016/j.fuproc.2005.08.009
  6. Tsiakmakis S, Mertzis D, Dimaratos A, Toumasatos Z, Samaras Z. Experimental study of combustion in a spark ignition engine operating with producer gas from various biomass feedstocks. Fuel. 2014;122:126–139. doi.org/10.1016/j.fuel.2014.01.013
  7. Fiore M, Magi V, Viggiano A. Internal combustion engines powered by syngas: A review. Applied Energy. 2020;276:115415. doi.org/10.1016/j.apenergy.2020.115415
  8. Fischer M, Jiang X. An assessment of chemical kinetics for bio-syngas combustion. Fuel. 2014;137:293–305. doi.org/10.1016/j.fuel.2014.07.081
  9. Gossler H, Deutschmann O. Numerical optimization and reaction flow analysis of syngas production via partial oxidation of natural gas in internal combustion engines. Int. J. Hydrogen Energy. 2015;40(34):11046–11058. doi.org/10.1016/j.ijhydene.2015.06.125
  10. Dhahak A, Bounaceur R, Le Dreff-Lorimier C, Schmidt G, Trouve G, Battin-Leclerc F. Development of a detailed kinetic model for the combustion of biomass. Fuel. 2019; 242:756–774. doi.org/10.1016/j.fuel.2019.01.093
  11. Wen GH, Yu S, Reitz R. Computational Optimization of Internal Combustion Engines. USA: Springer; 2011.
  12. Heghes C. Soot formation modeling during hydrocarbon pyrolysis and oxidation behind shock waves (tesis de doctorado). University of Heidelberg; 2006.
  13. Turns S. An introduction to combustion, Second ed. USA: Mc Graw Hill; 2000.
  14. Chi C, Janiga G, Thévenin D. On-the-fly artificial neural network for chemical kinetics in direct numerical simulations of premixed combustion. Combust. Flame. 2021;226:467–477. doi.org/10.1016/j.combustflame.2020.12.038
  15. Burger C, Zhu W, Ma G, Zhao H, Van Duin ACT, Ju Y. Experimental and computational investigations of ethane and ethylene kinetics with copper oxide particles for Chemical Looping Combustion. Proc. Combust. Inst. 2021. doi.org/10.1016/j.proci.2020.06.006
  16. Frassoldati A, Faravelli T, Ranzi E. The ignition, combustion and flame structure of carbon monoxide/hydrogen mixtures. Note 1: Detailed kinetic modeling of syngas combustion also in presence of nitrogen compounds. Int. J. Hydrogen Energy. 2007;32(15):3471–3485. doi.org/10.1016/j.ijhydene.2007.01.011
  17. Poon HM, Pang KM, Ng HK, Gan S, Schramm J. Development of multi-component diesel surrogate fuel models - Part II: Validation of the integrated mechanisms in 0-D kinetic and 2-D CFD spray combustion simulations. Fuel. 2016;181:120–130. doi.org/10.1016/j.fuel.2016.04.114
  18. Kazakov A, Frenklach M. DRM Mechanism (sitio en internet). University of California at Berkeley. Disponible en: http://combustion. berkeley.edu/drm/. Acceso el 10 de septiembre 2019.
  19. Frenklach M, Bowman T, Smith G. GRI 3.0 Mechanism (sitio en internet). University of California at Berkeley. Disponible en: http://combustion.berkeley.edu/gri_mech/. Acceso el 10 de septiembre 2019.
  20. Coppens FHV, De Ruyck J, Konnov AA. The effects of composition on burning velocity and nitric oxide formation in laminar premixed flames of CH4 + H2 + O2 + N2. Combust. Flame. 2007;149(4):409–417. doi.org/10.1016/j.combustflame.2007.02.004
  21. Westbrook CK, Pitza WJ, Westmoreland PR, Dryer FL, Chaos M, Osswald P, et al. A detailed chemical kinetic reaction mechanism for oxidation of four small alkyl esters in laminar premixed flames. Proc. Combust. Inst. 2009;32(1):221–228. doi.org/10.1016/j.proci.2008.06.106
  22. Westbrook CK, Pitz WJ, Herbinet O, Curran HJ, Silke EJ. A comprehensive detailed chemical kinetic reaction mechanism for combustion of n-alkane hydrocarbons from n-octane to n-hexadecane. Combust. Flame. 2009;156(1):181–199. doi.org/10.1016/j.combustflame.2008.07.014
  23. Heywood JB. Internal Combustion Engine Fundamentals. USA: Mc Graw Hill; 1988.
  24. Gao N, Li A, Quan C, Gao F. Hydrogen-rich gas production from biomass steam gasification in an updraft fixed-bed gasifier combined with a porous ceramic reformer. Int. J. Hydrogen Energy. 2008;33(20):5430–5438. doi.org/10.1016/j.ijhydene.2008.07.033
  25. Arroyo J, Moreno F, Muñoz M, Monné C, Bernal N. Combustion behavior of a spark ignition engine fueled with synthetic gases derived from biogas. Fuel. 2014;117(Part A):50–58. doi.org/10.1016/j.fuel.2013.09.055
  26. Zhang F, Yu R, Bai XS. Detailed numerical simulation of syngas combustion under partially premixed combustion engine conditions. Int. J. Hydrogen Energy. 2012;37(22):17285–17293. doi.org/10.1016/j.ijhydene.2012.08.076
  27. Xu Z. Jia M, Li Y, Chang Y, Xu G, Xu L, et al. Computational optimization of fuel supply, syngas composition, and intake conditions for a syngas/diesel RCCI engine. Fuel. 2018;234:120–134. doi.org/10.1016/j.fuel.2018.07.003
  28. Brusca S, Chiodo V, Galvagno A, Lanzafame R, Marino Cugno Garrano A. Analysis of reforming gas combustion in Internal Combustion Engine. Energy Procedia. 2014;45:899–908. doi.org/10.1016/j.egypro.2014.01.095
  29. Przybyla G, Szlek A, Haggith D, Sobiesiak A. Fuelling of spark ignition and homogenous charge compression ignition engines with low calorific value producer gas. Energy. 2016;116:1464–1478. doi.org/10.1016/j.energy.2016.06.036
  30. Lee HC, Jiang LY, Mohamad AA. A review on the laminar flame speed and ignition delay time of Syngas mixtures. Int. J. Hydrogen Energy. 2014;39(2):1105–1121. doi.org/10.1016/j.ijhydene.2013.10.068

Artículos similares

También puede {advancedSearchLink} para este artículo.