Análisis de mecanismos de reacción química para la combustión del metano

Abstract

RESUMEN: El proceso de combustión del metano con aire se representa habitualmente mediante la reacción: CH4 + 2 O2  CO2 + 2 H2O; sin embargo, ocurre realmente a través de un elevado número de etapas. Para este proceso están identificadas al menos 325 reacciones en las que participan 53 especies (mecanismo detallado GRI-Mech 3.0). Sin embargo, existen varios mecanismos que simplifican este número de especies y reacciones, con el objetivo de resolver adecuadamente la química del proceso y conseguir a su vez una reducción en el coste computacional de los cálculos. En este trabajo se han analizado diferentes mecanismos para la combustión del metano, distinguiendo entre globales, reducidos y detallado. Para ello se han comparado los datos obtenidos mediante simulación numérica con datos experimentales publicados en la bibliografía. El estudio se ha centrado en el ajuste de los perfiles de temperatura y concentraciones mayoritarias (CH4, O2, CO2) obtenidos en el eje central de la llama, así como en el tiempo computacional requerido por cada uno de los mecanismos para alcanzar la solución del problema. El objetivo principal es la determinación del mecanismo o mecanismos que resulten más adecuados para la simulación del proceso, en una geometría de llama en dos dimensiones, distinguiendo entre sistemas no premezclado y parcialmente premezclado. Para la simulación numérica del proceso se ha utilizado un código CFD (ANSYS Fluent), utilizando una geometría sencilla en dos dimensiones que representa una llama aislada y experimental. Los mecanismos de reacción química analizados pueden dividirse en: globales (mecanismos de 1, 2 y 4 pasos), reducidos (entre 35 y 104 reacciones) y detallado (mecanismo GRI-Mech 3.0, 325 reacciones); además de su ajuste con los datos de referencia, se ha tenido en cuenta el tiempo de cálculo requerido por la simulación con cada uno de ellos para alcanzar la convergencia del problema. Una vez analizados los resultados, se ha concluido que, para este tipo de geometrías y condiciones de combustión, los mecanismos de cuatro pasos (Jones & Lindstedt y su versión modificada) se presentan como la mejor alternativa para la predicción de temperatura y especies mayoritarias en sistemas no premezclados; por otra parte, el mecanismo de Smooke resulta la mejor opción para la simulación del proceso en condiciones de sistema parcialmente premezclado (para λ = 0,4).

ABSTRACT: Methane with air combustion process is usually represented with the reaction: CH4 + 2 O2  CO2 + 2 H2O; however, it actually occurs through a large number of stages. For this process there are identified at least 325 reactions involving 53 species (detailed GRI-Mech 3.0 mechanism). However, there are several mechanisms that simplify this number of species and reactions in order to resolve properly the process chemistry and in turn achieve a reduction in the computational cost of the calculation. In this paper different mechanisms for methane combustion have been analyzed, distinguishing between global, reduced and detailed. Data obtained by numerical simulation has been compared with experimental data published in the literature. The study has focused on temperature and majority concentrations profiles (CH4, O2, CO2) obtained in the flame central axis and on the computational time required by each of the mechanisms to achieve the problem solution. The main goal is the determination of the mechanism or mechanisms that are most suitable for the process simulation in two-dimensional flame geometry, distinguishing between non-premixed and partially premixed systems. For this process numerical simulation it has been used a CFD code (ANSYS Fluent), using a simple two-dimensional geometry that represents an isolated, experimental flame. Chemical reaction mechanisms analyzed can be divided into: global (1, 2 and 4 steps), reduced (between 35 and 104 steps) and detailed (GRI-Mech 3.0 mechanism, 325 reactions); along with their fitting to reference data, it is also taken into account computational time required for each simulation to reach problem convergence. After analyzing the results, it has been concluded that, for this kind of geometries and combustion conditions, four steps mechanisms (Jones & Lindstedt and its modified version) are presented as the best alternative for temperature and majority species prediction in non-premixed systems; on the other hand, Smooke mechanism turns out to be the best choice for partially premixed systems (for λ = 0,4).