Flujo Reactivo No Estacionario Turbulento en un Horno de Cemento
Autores: Talice, Marco; Jureti, Franjo; Lahaye, Domenico
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2022
Acceso abierto
Artículo científico
2022
Flujo Reactivo No Estacionario Turbulento en un Horno de Cemento
Categoría
Ingeniería y Tecnología
Subcategoría
Ingeniería Mecánica
Palabras clave
Emisiones
Combustión
Modelado
Hornos industriales
NOx térmico
Software OpenFoam
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
Consultas: 1
Citaciones: Sin citaciones
La reducción de emisiones de grandes hornos industriales depende críticamente de los conocimientos obtenidos a partir de modelos numéricos de combustión turbulenta no premixed. En el artículo Mitigando el NOx térmico al cambiar el canal de inyección de aire secundario: un estudio de caso en la industria del cemento, los autores presentan el uso del entorno de software de código abierto OpenFoam para el modelado de la combustión de gas natural holandés en un horno de cemento operado por nuestro socio industrial. En este documento, se discuten varias mejoras del modelo. La formulación de Navier-Stokes promediada en estado estacionario se reemplaza por una variante no estacionaria para capturar la variación temporal de las cantidades promediadas. El modelo de combustión de disolución de vórtices infinitamente rápido se intercambia por el concepto de disolución de vórtices para la combustión para tener en cuenta la química de tasa finita de las reacciones de combustión. La inyección del combustible gaseoso a través de las boquillas ocurre a una velocidad tan alta que se requiere una formulación de flujo integral. A diferencia de Mitigando el NOx térmico al cambiar el canal de inyección de aire secundario: un estudio de caso en la industria del cemento, se imponen condiciones de contorno transmisivas de ondas para evitar reflexiones espurias del parche de salida. Estas mejoras del modelo resultan en una convergencia estable de la iteración de pasos de tiempo. Esto, a su vez, aumenta la resolución del flujo, la combustión y la transferencia de calor radiante en el horno. Esta resolución permite una evaluación más precisa de la formación de NO térmico en el horno. Se presentan los resultados de un caso de prueba de interés académico. En este caso de prueba, el aire de combustión se inyecta a una tasa de flujo de masa baja. Los resultados numéricos muestran que el flujo en las cercanías del extremo caliente del horno es inestable. Un vórtice transporta intermitentemente una fracción de metano hacia la corriente de aire y se forma un frente de reacción espuria. Este frente causa un pico transitorio en la temperatura de la pared superior. El proceso de combustión simulado es rico en combustible. Todo el oxígeno se agota después de viajar unos pocos diámetros dentro del horno. El óxido nítrico térmico se forma cerca del quemador y se diluye antes de alcanzar la salida. En la salida, la concentración de NO térmico simulado es igual a 1 ppm. Se demuestra que el modelo es lo suficientemente maduro como para capturar una tasa de entrada de masa más realista en la siguiente etapa del trabajo.
Descripción
La reducción de emisiones de grandes hornos industriales depende críticamente de los conocimientos obtenidos a partir de modelos numéricos de combustión turbulenta no premixed. En el artículo Mitigando el NOx térmico al cambiar el canal de inyección de aire secundario: un estudio de caso en la industria del cemento, los autores presentan el uso del entorno de software de código abierto OpenFoam para el modelado de la combustión de gas natural holandés en un horno de cemento operado por nuestro socio industrial. En este documento, se discuten varias mejoras del modelo. La formulación de Navier-Stokes promediada en estado estacionario se reemplaza por una variante no estacionaria para capturar la variación temporal de las cantidades promediadas. El modelo de combustión de disolución de vórtices infinitamente rápido se intercambia por el concepto de disolución de vórtices para la combustión para tener en cuenta la química de tasa finita de las reacciones de combustión. La inyección del combustible gaseoso a través de las boquillas ocurre a una velocidad tan alta que se requiere una formulación de flujo integral. A diferencia de Mitigando el NOx térmico al cambiar el canal de inyección de aire secundario: un estudio de caso en la industria del cemento, se imponen condiciones de contorno transmisivas de ondas para evitar reflexiones espurias del parche de salida. Estas mejoras del modelo resultan en una convergencia estable de la iteración de pasos de tiempo. Esto, a su vez, aumenta la resolución del flujo, la combustión y la transferencia de calor radiante en el horno. Esta resolución permite una evaluación más precisa de la formación de NO térmico en el horno. Se presentan los resultados de un caso de prueba de interés académico. En este caso de prueba, el aire de combustión se inyecta a una tasa de flujo de masa baja. Los resultados numéricos muestran que el flujo en las cercanías del extremo caliente del horno es inestable. Un vórtice transporta intermitentemente una fracción de metano hacia la corriente de aire y se forma un frente de reacción espuria. Este frente causa un pico transitorio en la temperatura de la pared superior. El proceso de combustión simulado es rico en combustible. Todo el oxígeno se agota después de viajar unos pocos diámetros dentro del horno. El óxido nítrico térmico se forma cerca del quemador y se diluye antes de alcanzar la salida. En la salida, la concentración de NO térmico simulado es igual a 1 ppm. Se demuestra que el modelo es lo suficientemente maduro como para capturar una tasa de entrada de masa más realista en la siguiente etapa del trabajo.