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Reporte
Estrategias para la descarbonización de gas natural
con metano electrosintetizado

Jackson Crane, Cao-Thang Dinh

caothang.dinh@queensu.ca
capturado
CO 2
Reflejos
electrogas potencial
se cuantifican las características y se
Gas natural Electrogas
comparan con las del gas natural

mi- CO2la electrocatálisis de reducción requerirá la

CH 4 CH 4 separación para reemplazar completamente el

CH gas natural
CH
2 6
24
norte
2

CO 2 H2
Mezclar electrogás con gas natural
CO 2 CH
3 8
puede minimizar o evitar los costos de
Velocidad de llama

La seguridad separación
Encendido inflamabilidad

CO NOX
Valor de calentamiento
Emitir iones 2
Más investigaciones se centran en el CO2
Índice de Wobbe
Hollín CO
se necesita eficiencia de conversión y
Intercambiabilidad de gases
control de procesos

Generación de energía Industria Edificios

El gas natural suministra casi una cuarta parte de la energía mundial y su uso va en aumento. Crane y
Dinh exploran cómo el electrogas del CO2la electrocatálisis de reducción podría reemplazar o
complementar el gas natural mediante la cuantificación de las características del electrogás, las
emisiones y las estrategias de mezcla.

Crane & Dinh, Informes celulares Ciencias físicas3,

101027
21 de septiembre de 2022ª2022 El(los) autor(es).
https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2022.101027
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Reporte
Estrategias para la descarbonización de gas
natural con metano electrosintetizado
Jackson grúa1y Cao-Thang Dinh1,2,*

RESUMEN
El gas natural suministra casi una cuarta parte de la energía mundial y está
creciendo más rápido que cualquier otra fuente de energía. Una vía para reducir
el CO2intensidad de emisión de gas natural sin infraestructura de uso final en
transición es sintetizar un sustituto de gas natural a partir de CO2y energía
renovable a través de CO electroquímico2reducción. Para mejorar la viabilidad
económica del electrogas, este trabajo examina la posibilidad de utilizar
productos electrolizadores sin separación aguas abajo. Cuantificamos el
rendimiento del electrolizador necesario para replicar las características clave
de valor calorífico, seguridad y emisiones del gas natural. Encontramos que,
excepto en el caso de un dispositivo de alto rendimiento poco realista, el
electrogas sintetizado directamente no puede reproducir todas las propiedades
necesarias del gas natural. Descubrimos, sin embargo, una gama de
composiciones de electrogás seguras y de baja emisión que probablemente se
puedan lograr con la tecnología actual que se puede mezclar con gas natural
para reducir su CO2intensidad conservando suficiente poder calorífico.

INTRODUCCIÓN
El cambio climático antropogénico motiva el desarrollo de tecnologías para descarbonizar los
sistemas energéticos. El gas natural suministró el 23 % de la energía mundial en 2019 y, en
términos de energía total, está creciendo más rápidamente que cualquier otra fuente de energía.
1CO electroquímico2reducción (CO2R), particularmente la síntesis de metano, es una vía viable
para producir un sustituto de gas natural bajo en carbono cuando se combina con energía
renovable.2,3Uno de los principales obstáculos para la comercialización de CO2R electrogas, sin
embargo, es el bajo costo del gas natural.4Análisis tecnoeconómicos recientes del CO2Los
sistemas R destacan la separación de productos como un componente principal del costo total
del CO2 gaseoso2productos R.5,6Por lo tanto, si CO2Los reactores R pueden producir una corriente
de producto directamente utilizable como sustituto del gas natural, eliminando o reduciendo
drásticamente los costos de separación, lo que puede proporcionar un camino hacia la
competitividad económica. En este trabajo, consideramos el rendimiento de la combustión de
electrogás pronosticado en términos de CO clave2Indicadores de rendimiento R: la eficiencia
farádica (FE) de los productos primarios (CH4, C2H4, y H2) y el CO2eficiencia de conversión, definida
como la relación entre el CO convertido2y compañía2aporte. El objetivo de este trabajo es (1)
caracterizar el rendimiento del electrolizador necesario para reemplazar el gas natural con
electrogás sintetizado directamente y (2) desarrollar una estrategia para introducir de forma
segura el electrogás en el mercado dado el rendimiento actual y futuro previsto del
electrolizador.

Departamento de Ingeniería Química, Queen's

1

El enfoque de investigación sustancial está dedicado a mejorar la eficiencia energética, la University, Kingston, ON, Canadá
selectividad y la estabilidad del catalizador de CO2a CH4sistemas con el objetivo de producir 2Contacto principal

sustitutos renovables del gas natural.7–11CO2R investigadores trabajando en CO2-a-CH4 * Correspondencia:caothang.dinh@queensu.ca

la electrocatálisis se ha centrado históricamente en el CH máximo4selectividad del producto. Natural https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2022.101027

Informes celulares Ciencias físicas3,101027, 21 de septiembre de 2022ª2022 El(los) autor(es). 1

Este es un artículo de acceso abierto bajo la licencia CC BY-NC-ND (http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).
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capturado
electrocatálisis CO 2 Valor de calentamiento La seguridad Emisiones
NOX
Wobbe
Niebla tóxica
inflamabilidad Hollín
índice limites

Electrogas CO CO 2
Fuego NOX Hollín
velocidad
Hollín NOX
CO2 CH H2
renovable CH4 2 4

electricidad
mi- Características de los gases

norte
CO 2
2
CH
CH4 CH
26
3 8

Gas natural
Energía
Industria Edificios
generación

Figura 1. Intercambiabilidad de gas natural y electrogas

El componente principal del electrogas y del gas natural es CH4. Los constituyentes menores del electrogas son CO2, C2H4, y H2y para el gas natural son C2H6, norte2, CO2, y C3H8(existen otros
componentes traza;Tabla S1). El gas natural se utiliza principalmente para la generación de energía, en la industria y en la construcción. Para la intercambiabilidad del gas, los gases
combustibles deben coincidir con los valores caloríficos y las características de seguridad del gas natural y deben coincidir o ser inferiores a las emisiones del gas natural.

el gas, sin embargo, no es una sustancia pura; aunque el componente principal del gas natural es
CH4, impurezas sustanciales de C2H6(0,5 %–13 %), N2(0%–5%), CO2(0%–5%) y C3H8(0%–3%), lo que
significa que el gas natural no se comporta como el metano puro y que la variabilidad sustancial
es inherente a los gases naturales (para obtener más detalles, consulteNota S1yTabla S1). El flujo
de producto de CO2-a-CH4la electrocatálisis a menudo contiene CO2, C2H4, h2y CO impurezas. La
mayor parte del gas natural se utiliza en sistemas de combustión; por lo tanto, comprender y, en
última instancia, adaptar el rendimiento de la combustión de los posibles electrogases es
fundamental si van a reemplazar o complementar el gas natural.12

La composición del gas natural es variable según la fuente del gas y su procesamiento, y se
utiliza en una variedad de aplicaciones, incluida la generación de energía, en la industria y en los
edificios.12Debido a las diversas fuentes y usos finales, existe un énfasis industrial en la
cuantificación de la intercambiabilidad de gases: la idoneidad de los gases de varias
composiciones para ser usados de manera fungible para varios usos finales.13–15Debido a la
gran infraestructura existente diseñada para el gas natural, es muy deseable que cualquier
electrogás potencial sea intercambiable con el gas natural. La intercambiabilidad se centra en
tres componentes principales: (1) poder calorífico, (2) seguridad y (3) emisiones.14
El valor calorífico cuantifica la cantidad de energía contenida en un gas y, específicamente, el índice de
Wobbe se utiliza para cuantificar la intercambiabilidad del valor calorífico del gas. La seguridad del gas
considera ampliamente los peligros en la transmisión de gas y el uso final del gas. Existe una variedad
de peligros, como explosiones, retroceso de llama del quemador y explosión del quemador, pero
generalmente se pueden cuantificar a través de los límites de inflamabilidad (superior e inferior), la
velocidad de la llama y la temperatura de ignición.dieciséis,17Si dos gases tienen valores similares de estas
cantidades clave, es probable que sus riesgos de peligro sean similares. Las emisiones relacionadas con
la combustión se ven afectadas por la composición del gas. Cuatro contaminantes principales, los óxidos
de nitrógeno (NOX), CO, hollín y CO2, conducen a tres desafíos principales relacionados con las
emisiones: el smog, los peligros para la salud humana y ambiental y el cambio climático antropogénico.
18 Figura 1muestra qué emisiones son responsables de qué desafíos. Aunque el objetivo principal de la
síntesis de electrogás es proporcionar un gas con CO neto más bajo2emisiones, otras emisiones (NOX,
CO y hollín) también están estrictamente controlados y no deben exceder en gran medida los del gas
natural.19,20

2 Informes celulares Ciencias físicas3,101027, 21 de septiembre de 2022

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En este trabajo, calculamos las características clave de intercambiabilidad de los electrogases en

función del CO2Rendimiento del dispositivo R. Específicamente, consideramos un rango de H2
FE (0%–30%), C2H4FE (0 %–20 %), CO FE (0 % y 2 %) y CO de paso único2eficiencias de conversión
(55%–100%). La mezcla restante del CO2Se supone que el electrolizador R es CH4. También
realizamos simulaciones de Monte Carlo de los posibles gases naturales de América del Norte
para determinar la media y la varianza de las propiedades de combustión del gas natural; los
resultados se muestran enTabla S2yFigura S1. Encontramos que, excepto en el caso de CO
irrealmente alto2Rendimiento R (menos del 3% H2FE y más del 90 % de CO de un solo paso2
conversión), es poco probable que el electrogás sintetizado directamente pueda replicar todas
las características de combustión del gas natural. Descubrimos y cuantificamos, sin embargo,
una banda de composiciones de electrogases, probablemente alcanzables con CO2R, que son
seguros y de baja emisión, aunque con un poder calorífico algo más bajo que el gas natural.
Luego proponemos que los electrogases no separados dentro de esta banda se puedan mezclar
con gas natural para reducir su intensidad de carbono mientras retienen la mayor parte de su
poder calorífico. En concreto, el electrogas de CO2Reactores R con un CH4FE del 80% y CO2la
eficiencia de conversión del 66 % puede reemplazar de manera segura hasta el 20 % del gas
natural, lo que reduce el CO del gas natural2intensidad y presentando un enorme mercado para
el CO2R metano.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Características de rendimiento de electrogas
Las características de combustión del electrogás, en comparación con las del gas natural, en
función del rendimiento del electrolizador se muestran enFigura 2por una c2H4FE del 10%. El
límite inferior de inflamabilidad y la temperatura de ignición no se muestran aquí; en general,
estas cantidades están dentro del rango de gas natural para todos los electrogases (Figura S2).
En Figura 2, las zonas más claras indican un rendimiento dentro del rango esperado del gas
natural (definido como 3 desviaciones estándar por encima y por debajo del rendimiento medio
del gas natural). evidente deFigura 2es que, para igualar el poder calorífico del gas natural, alta
CH4FE (>70%) combinado con CO muy alto2(>90%) se requieren eficiencias de conversión. Para
igualar las características de seguridad del gas natural, para el límite superior de inflamabilidad y
la velocidad de la llama, existen bandas relativamente estrechas de rendimiento del
electrolizador. Finalmente, las emisiones son generalmente similares o inferiores a las del gas
natural, excepto en una pequeña zona de alto CH.4FE y CO bajo2eficiencia de conversión donde
se observan altas emisiones de CO. CO2no se muestran las emisiones porque, si el CO2se recicla,
y la electrólisis se realiza con electricidad baja en carbono (es decir, energías renovables o
nuclear), entonces el CO neto2Las emisiones serán mucho más bajas que las del gas natural.3
Características en C2H4FEs de 0% y 20% se muestran enFiguras S3yS4, respectivamente, y
muestran tendencias similares a las deFigura 2.

Para cuantificar el rendimiento requerido del electrolizador para gas intercambiable, los rangos
aceptables deFigura 2se trazan en el mismo conjunto de ejes enfigura 3R. NOXy el hollín no se
muestran porque son aceptables para todas las composiciones. Se identifican dos zonas: la zona
1, que es la superposición de todas las características, y la zona 2, que es la superposición de
todas las características menos el índice de Wobbe. La zona 1 es muy pequeña; un CH4FE de más
del 87% (lo que equivale a un H2FE inferior al 3%) con CO2Se requieren eficiencias de conversión
de más del 90% para un gas totalmente intercambiable. El H máximo2FE para la zona 1 es similar
independientemente de C2H4FE, como se muestra en Figuras S3yS4. La Zona 2 representa
electrogases seguros con bajas emisiones pero con un poder calorífico potencialmente más bajo
que el gas natural. La zona 2 abarca un rango mucho más amplio de rendimiento del
electrolizador que la zona 1, pero cuanto más lejos de la zona 1, menor es el poder calorífico.
figura 3B muestra la zona 2 en función de C2H4FE. El tamaño de la zona 2 depende de C2H4FE, con
menos superposición de la parte superior

Informes celulares Ciencias físicas3,101027, 21 de septiembre de 2022 3

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Valor de calentamiento La seguridad

Cocina de gas natural

Emisiones

Gas natural
rango o
más bajo

Figura 2. Características de desempeño de Electrogas

Se muestran el poder calorífico relevante (índice de Wobbe), la seguridad (límite superior de inflamabilidad y velocidad de la
llama) y las emisiones (NOX, CO y hollín) para electrogases potenciales en función del CO2R electrolizador CH4FE y CO2
eficiencia de conversión. Las regiones más claras en las gráficas de valor calorífico y seguridad muestran valores que se
encuentran dentro de las características esperadas del gas natural, y en las gráficas de emisiones, las regiones más claras
muestran valores que son menores que las mayores emisiones potenciales del gas natural. Todos los electrocombustibles
que se muestran aquí tienen un NO más bajoXy emisiones de hollín que los gases naturales. Todas las parcelas tienen una C
fija2H4FE del 10%.

límite de inflamabilidad y velocidad de la llama observados con C bajo y alto2H4FE. De esta

manera, hay un ''punto dulce'' de C2H4FEs entre 10% y 15%, donde existe la mayor superposición.

Con el rendimiento requerido del electrolizador aclarado, ahora examinamos el progreso reciente en CO
2R a CH4actuación. Actualmente, la mayor parte de la investigación se centra en la selectividad del
producto, con relativamente menos estudios que consideren el CO de un solo paso.2conversión.21En los
últimos años, CH4se han reportado selectividades entre 60% y 80%,7–11como se muestra entabla 1.
Aunque los estudios que se muestran en la tabla no se centraron en maximizar el CO2conversión, todos
tienen eficiencias de conversión inferiores al 10% y, a menudo, inferiores al 2%. Sin embargo, un estudio
reciente ha logrado que el CO2eficiencias de conversión de hasta el 85% mientras se mantiene C1+FE de
alrededor del 60%.22Claramente, el rendimiento actual (y probablemente el del futuro cercano) de los
electrolizadores es insuficiente para producir electrogás en la zona 1, mientras que la zona 2 está al
alcance si se pone un enfoque adicional en la cooptimización de CH4selectividad y CO2eficiencias de
conversión. También se requerirá más investigación para abordar los desafíos relacionados con el
escalado de la tecnología. Por último, será importante mejorar la capacidad de ajuste del electrolizador
para garantizar

4 Informes celulares Ciencias físicas3,101027, 21 de septiembre de 2022

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A B 10% 5% 0%
Índice de Wobbe
15%
Zona 1 CH
2 4
FE:
20%
Monóxido de carbono

2
na
zo

Fuego
Superior
velocidad
inflamabilidad
límite

C D
0% a
5%
10% d
d
15%
CH FE: a
2 4 5%
20% =8
F4E
%

CH
80

b b
=
4FE
CH

C
C

Figura 3. CO requerido2Rendimiento del reactor R y estrategias de mezcla para la intercambiabilidad de gases

(A) Los rangos aceptables deFigura 2superpuestos a un conjunto de ejes. Anotado es (zona 1) la superposición de
todas las características, que muestra el CO necesario2Rendimiento R para un gas totalmente intercambiable y
(zona 2) la superposición de todas las características excepto el poder calorífico, que muestra el CO2Rendimiento
R requerido para un gas seguro y de baja emisión con un poder calorífico potencialmente algo más bajo que el
gas natural.
(B) Zona 2 en función de C2H4FE.
(C) Fracción molar de electrocombustible que da como resultado una reducción del 10 % o menos en el poder calorífico en
función de CH4y C2H4FE, con CO2eficiencia de conversión restringida para estar en el centro de las bandas de la zona 2.

(D) CO2, NOXReducciones de las emisiones de hollín, CO y hollín en función de la fracción molar de la mezcla de electrogases
para dos CH diferentes4FEs y para un C2H4FE del 10%.

que, durante la vida útil de un dispositivo, el electrogas es seguro y de baja emisión y tiene
suficiente poder calorífico.

Combinando estrategias
Dado el rendimiento requerido para la intercambiabilidad total del gas combinado con el estado
actual del rendimiento del electrolizador, existen tres opciones para usar CH4electrogases
basados en: (1) combinar CO2R con separación para lograr composiciones adecuadas, (2)
aceptar un gas con un poder calorífico inferior (es decir, usar gases de la zona 2), o (3) mezclar
gases naturales con electrogases de la zona 2. La viabilidad de la primera opción, la separación ,
requerirá un mayor análisis tecnoeconómico, que dejamos para trabajos futuros. La segunda
opción, usar un gas con un poder calorífico inferior, puede ser razonable en lugares donde la
mezcla no es una opción (p. ej., en áreas remotas) pero conduciría, por ejemplo, a la incapacidad
de calentar adecuadamente una casa con su horno existente. en algunos casos. La tercera
opción, la mezcla con gas natural convencional, la consideramos aquí. figura 3C muestra la
fracción de electrogas que, cuando se mezcla con un promedio

Informes celulares Ciencias físicas3,101027, 21 de septiembre de 2022 5

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Tabla 1. Rendimiento del electrolizador de estudios recientes seleccionados

Árbitro. CH4FE (%)C2H4FE (%) H2FE (%) CO FE (%) CO2conversión (%)

CO2a CH4
Yadav et al.7 63 4.5 15 3.0 0.7
Zhang et al.8 66 3.3 22 4.4 1.8
Wang et al.9 70 9.7 17 4.7 1.1
Xiong et al.10 74 1.0 20 4.0 0.7
Esmaeilirad et al.11 83 6.0 1.4 6.0 7.7
CO de un solo paso2conversión

O'Brien et al.22 11 21 42 7.0 85

Estudios centrados en CO2a CH4electrorreducción se muestran en el bloque superior, y un estudio centrado en CO de un
solo paso2la conversión se muestra en la última fila.

gas natural, produce una reducción del 10% en el poder calorífico (índice de Wobbe) para varios CH4
y C2H4FE. Esto se puede considerar la fracción de mezcla máxima sin incurrir en una penalización
sustancial en el poder calorífico (los cálculos con reducciones del índice de Wobbe del 5% y 20%
se muestran enFiguras S5yS6). Consideramos dos puntos con alto pero razonable rendimiento
del electrolizador: CH4FE del 80% y 85% y CO2conversión del 66% y 78%, respectivamente
(correspondiente al punto medio de la banda de la zona 2), ambos con una C2H4FE del 10%. Los
puntos se denotan con círculos enfigura 3C y tienen fracciones de mezcla máximas de 20% y
31%, respectivamente. Aunque estas fracciones de mezcla pueden parecer bajas, todavía
representan un mercado enorme para los electrogases. Las reducciones de emisiones asociadas
con estos dos ejemplos de electrogases, en función de la fracción de mezcla, se representan en
figura 3D. Las mezclas dan como resultado emisiones de CO relativamente sin cambios, hasta
una reducción del 5% en NOXhasta un 20% de reducción de emisiones de hollín y hasta un 25%
de reducción de CO2emisiones (normalizadas al cambio en el poder calorífico, asumiendo un
electrogas neutro en carbono). Cálculos alternativos con CO normalizado, NOX, y las emisiones de
hollín en lugar de las emisiones basadas en tasas se muestran enFigura S7y se discuten más en
Nota S2. Finalmente, mostramos que un electrogás de la zona 2 mezclado con gas natural
produce un gas seguro al recalcular las propiedades de seguridad de los gases mezclados, como
se muestra enTabla S3y más discutido enNota S3. La mezcla de electrogases no procesados con
gas natural es una vía tangible para reducir el CO2emisiones de gas natural mientras que el CO2
La tecnología R madura.

Los cálculos en este trabajo asumen que no hay CO presente en el electrogas. OC actual2Los reactores R
que se dirigen al metano suelen producir pequeñas cantidades de CO (p. ej., FE del 2% al 10+%;tabla 1).
Pequeñas cantidades de CO no afectan apreciablemente el rendimiento del combustible, la seguridad o
las emisiones (incluidas las emisiones de CO), como se muestra enFigura S8, que muestra las
características del combustible con un CO FE del 2%. La toxicidad del monóxido de carbono, sin
embargo, dicta que se evite el monóxido de carbono en los gases combustibles cuando sea posible. La
norma 20765–1:2005 de la Organización Internacional de Normalización (ISO) define una fracción molar
máxima de CO de gas natural de calidad de gasoducto del 3%,23aunque los gases naturales típicos de
América del Norte contienen concentraciones de CO aún más bajas (<0,45 % por mol).24Figura S9
muestra el CO FE máximo en función del CO2El rendimiento de la celda R cuando se mezcla con gas
natural (suponiendo que el gas natural no contenga CO) se mantenga por debajo del máximo del 3 % de
CO. En las condiciones pertinentes, el CO FE máximo es del 5 % o más, lo que probablemente se pueda
lograr con dispositivos comerciales. No obstante, la supresión o eliminación de CO será un tema de
investigación importante para la producción segura y económica de electrogás, particularmente cuando
se desean niveles de CO sustancialmente inferiores al 3 %.

En resumen, para sintetizar electrogases completamente intercambiables sin separación o

mezcla, probablemente se requeriría un rendimiento del electrolizador increíblemente alto.

6 Informes celulares Ciencias físicas3,101027, 21 de septiembre de 2022

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(concretamente menos del 3% H2FE y más del 90% CO2conversión). Sin embargo, identificamos
una banda de gases seguros y de baja emisión, alcanzables con ganancias modestas en la
tecnología actual, que se pueden mezclar con gases naturales convencionales para reducir el CO2
, hollín y NOXemisiones del gas sin necesidad de separar. con un CH4
FE del 80%, C2H4FE del 10% y CO2conversión del 66%, el electrogás puede reemplazar el 20% del
gas natural, y la mejora del rendimiento del electrolizador aumenta aún más esta fracción.

Hay varias implicaciones para el CO2campo R de estos resultados. Primero, la importancia de

centrarse en el CO2se destaca la eficiencia de conversión. Incluso cuando se persigue la
separación posterior a la electrólisis, las altas concentraciones de CO2en el efluente complica la
separación. En segundo lugar, cuando se enfoca en CH4síntesis, C2H4FE no necesita ser
minimizado; de hecho, observamos que algunos C2H4(es decir, 10%–15%) produce un gas más
robusto. Debido a la toxicidad, el CO FE debe minimizarse cuando sea posible. Finalmente,
debido a la banda relativamente estrecha de composiciones seguras, es deseable tener procesos
de electrólisis algo sintonizables. A menudo, los electrolizadores tienen un rendimiento variable a
lo largo de su vida útil y, para garantizar un electrogás seguro y de baja emisión, es probable que
se necesite una supervisión y optimización continuas.

PROCEDIMIENTOS EXPERIMENTALES
Disponibilidad de recursos
Contacto principal

El contacto principal para este trabajo es C.-TD (caothang.dinh@queensu.ca).

Disponibilidad de materiales

Este estudio no generó nuevos materiales únicos.

Disponibilidad de datos y códigos

Todo el código original y los conjuntos de datos asociados se depositaron en Canadian Dataverse
Repository y están disponibles enhttps://doi.org/10.5683/SP3/RVAG0B.

Modelado de combustión
Las propiedades de combustión se calcularon utilizando el paquete Cantera para Python 3.25
Todos los cálculos, excepto el modelo de hollín, se realizaron utilizando el modelo químico
Foundational Fuel Chemistry Model Development Version Y (FFCM-Y),26que es una versión
ampliada del modelo FFCM-1.27por el NOXcálculos, el GRI-Mech 3.0 NOXsubmodelo28se
utilizó con FFCM-Y. Los cálculos de hollín utilizaron el C del grupo CRECK Modeling1-Cdieciséis
Alta temperatura (HT) + hollín + NOXmecanismo.29–33Todos los cálculos, excepto el modelo
de hollín, asumen una combustión aire-combustible estequiométrica. El modelo de hollín
consideró la combustión de aire-combustible con una relación de equivalencia de 3,5 para
asegurar un hollín adecuado en un combustible generalmente bajo en hollín como el gas
natural. Todos los cálculos utilizan una presión de 1 atm.

El índice de Wobbe cuantifica la tasa de calor a través de un orificio dado a una presión aguas arriba
dada. Por lo tanto, si dos combustibles tienen un índice de Wobbe idéntico cuando se usan en el mismo
quemador con la misma presión aguas arriba, entonces la tasa de calor será idéntica. El índice de Wobbe
se calcula mediante34

HHV
W =uffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff (Ecuación 1)
METROcombustible=Maire

dóndeWes el índice de Wobbe,HHVes el combustible de mayor poder calorífico,METROcombustiblees el

peso molecular del combustible, yMETROairees el peso molecular del aire.

Informes celulares Ciencias físicas3,101027, 21 de septiembre de 2022 7

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Los límites de inflamabilidad son importantes para cuantificar el riesgo de explosión en el procesamiento, la
transmisión y el uso final del gas, y también son fundamentales para el funcionamiento estable del quemador.
Los límites de inflamabilidad que son demasiado bajos pueden causar dificultad para encender las llamas,
mientras que los que son demasiado altos pueden causar peligrosas condiciones de retroceso de llama en los
quemadores.35Los límites inferior y superior de inflamabilidad de las mezclas se calculan utilizando el principio de
Le Chatelier36usando datos experimentales de inflamabilidad de un solo componente o combustible inerte:37

1
LFLmezcla: =PAGSnorte
Xi
(Ecuación 2)
yo = 1LFLi

1
UFLmezcla: =PAGSnorte
Xi
(Ecuación 3)
yo = 1UFLi

dóndeLFLmezcla.yUFLmezcla.son una mezcla de límites de inflamabilidad inferior y superior,Xies una

fracción molar de componentes individuales, yLFLiyUFLison los límites de inflamabilidad inferior y
superior de cada componente, respectivamente. Aunque el principio de Le Chatelier solo es
formalmente válido para el límite inferior de inflamabilidad, se ha demostrado que es una
aproximación razonable para predecir el límite superior de inflamabilidad de la mezcla.38

La temperatura de ignición cuantifica las condiciones de ignición para un gas premezclado. Las
temperaturas de ignición que son demasiado bajas pueden causar una ignición prematura y pueden
causar condiciones peligrosas en el procesamiento y la transmisión. Sin embargo, las temperaturas de
ignición que son demasiado altas pueden causar dificultad para encender los gases y, por lo tanto,
condiciones peligrosas en el uso final. Para determinar la temperatura de ignición, se realizan
simulaciones de reactores de volumen constante con aire-combustible premezclado a temperatura
inicial variable. La temperatura de ignición se define como la temperatura inicial mínima, que resulta en
un aumento de temperatura de 50 K o mayor después de 600 s.39

Las inestabilidades de la llama en los quemadores típicos incluyen soplado, extinción, retroceso,
retroceso y despegue, todos los cuales son indeseables en la mayoría de las situaciones. Generalmente,
estas inestabilidades de llama dependen de la velocidad de llama laminar de una mezcla.40Por lo tanto,
se espera que las mezclas de combustible con una velocidad de llama similar al gas natural sean menos
susceptibles a estas inestabilidades potenciales en comparación con las mezclas de combustible con
velocidades de llama sustancialmente diferentes. La velocidad de la llama laminar se calcula simulando
una llama plana premezclada 1D que se propaga libremente con una temperatura de gas sin quemar de
298 K y un ancho de dominio de 3 cm. Se utilizan las propiedades de transporte promediadas de la
mezcla. Se pueden encontrar más detalles, incluidas las ecuaciones de flujo de reacción, en Kee et al.41

NOXLas emisiones contribuyen al smog fotoquímico, la lluvia ácida, la destrucción del ozono
estratosférico y el calentamiento global, y una fracción significativa de NOXemisiones es directamente
atribuible a los procesos de combustión.42Por lo tanto, minimizando NOXemisiones de los procesos de
combustión es de importancia crítica. El monóxido de carbono en cantidades suficientes es un peligro
para la salud humana. Las emisiones de CO de los hornos y estufas pueden contribuir a los peligros del
CO en interiores.43El noXy las emisiones de CO se calculan simulando una llama plana premezclada
estabilizada por un quemador y midiendo la concentración de contaminantes en la salida del dominio.
NOXlas emisiones son la suma de NO y NO2emisiones La temperatura del quemador es de 373 K, el
caudal másico es de 0,06 kg/s y el ancho del dominio es de 25 cm. Se utilizan las propiedades de
transporte promediadas de la mezcla. Se pueden encontrar más detalles, incluidas las ecuaciones de
flujo de reacción, en Kee et al.41

La materia particular carbonosa resultante de las llamas, comúnmente llamada hollín, es un forzador del
clima,44presentan peligros para la salud humana y pueden dañar los equipos de combustión, como las
turbinas de gas.40Aunque los gases naturales suelen tener un contenido relativamente bajo

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propensión al hollín en comparación con otros combustibles, garantizar que estas emisiones se
mantengan bajas es de vital importancia. Las emisiones de hollín se calculan simulando un reactor
perfectamente agitado a una temperatura constante de 1.750 K, un volumen de reactor de 67 cm3, y un
tiempo de residencia de 5 ms.45La concentración de hollín se define como la suma de la fracción
volumétrica de partículas de hollín mayores de 2 nm en la salida del reactor.

Aunque esperamos que los cálculos reflejen las tendencias generales entre los gases, una
determinación final de las características de seguridad y emisión requiere una
confirmación experimental con los electrogases o mezclas exactas utilizadas en la
configuración de uso final.

INFORMACIÓN SUPLEMENTARIA
La información complementaria se puede encontrar en línea enhttps://doi.org/10.1016/j.xcrp.
2022.101027.

EXPRESIONES DE GRATITUD
JC agradece al Dr. Rui Xu y la Dra. Chiara Saggese por sus útiles debates sobre los mecanismos
químicos apropiados para el modelado de la combustión. Esta investigación fue financiada por
una beca de la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Queen (a JC).

CONTRIBUCIONES DE AUTOR
Conceptualización, JC; análisis formal, JC; escritura – borrador original, JC; redacción:
revisión y edición, CTD; supervisión, CTD

DECLARACIÓN DE INTERESES
Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

Recibido: 3 de febrero de 2022

Revisado: 8 de julio de 2022
Aceptado: 8 de agosto de 2022
Publicado: 26 de agosto de 2022

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