Hacia una llama verde: el hidrógeno entra en el horno cerámico

La descarbonización de la industria es un reto mayúsculo. En este caso, desgranaré un estudio técnico realizado por el Instituto de Tecnología Cerámica y Sociedad Española Carburos Metálicos, donde analizan la descarbonización del proceso de secado y cocción de la cerámica gracias al hidrógeno verde.

La industria de alta temperatura emplea el gas natural para obtener el calor necesario para los procesos industriales. En esa tesitura, los estudios teóricos de la combustión de la mezcla de hidrógeno y gas natural son muy necesarios. Por ello, presentaré los resultados experimentales obtenidos en unos ensayos de combustión hidrógeno-oxígeno en un quemador de oxicombustión específicamente adaptado para este trabajo.

Los autores establecieron como objetivo “mostrar los parámetros teóricos de combustión de mezclas hidrógeno con gas natural, estudiar en detalle la combustión de mezclas de ambos combustibles y su impacto en la generación y transmisión de calor, la composición de los gases de combustión resultantes, así como los cambios en el perfil de llama para lograr una cocción de alta eficiencia energética y alta calidad, prestando especial atención a las emisiones generadas.”

Diferencia entre hidrógeno y gas natural

En la siguiente tabla se podréis observar las principales características de gas natural y del hidrógeno. El valor del poder calorífico inferior contiene una errata, en vez de 2997 kWh/Nm³, es 2,997 kWh/Nm³.

En cambio, la densidad del gas natural es 8,8 veces superior a la del hidrógeno.

Sin embargo, me gustaría destacar dos parámetros claves a la hora de realizar una combustión controlada. El primero es la velocidad de la llama, como podéis observar la velocidad laminar de la llama del hidrógeno es 7 veces superior a del gas natural. En segundo lugar, la temperatura adiabática de la llama de la combustión del hidrógeno es 170ºC superior. Por lo tanto, la formación de NOx se ve más favorecida en la corriente de salida del quemador cuando se emplea hidrógeno como combustible.

En la siguiente tabla, se resumen las reacciones de combustión del hidrógeno, tanto en peso como en volumen, donde se puede extraer el ratio de aire/hidrógeno necesario para realizar una reacción estequiométrica (es decir, sin exceso de aire).

Así pues, seguidamente en la Imagen 3, podréis comprobar la evolución de los productos de combustión (tanto gas natural con aire como hidrógeno con aire) según diferentes índices de exceso de aire, partiendo de una base de cálculo de 1Nm³ de gas combustible ( ya sea, GN o H₂).

Para quien desconozca el termino n, n=1, aire preciso para una combustión estequiométrica (es decir, combustión completa, como se observa en la reacción de la Tabla 2). Por lo tanto, n= 1,2, indica un exceso de aire del 20%.

Resultados

En primer lugar, hay que resaltar que la combustión de hidrógeno genera más vapor de agua que la combustión del gas natural, y en ambos casos, la formación de vapor de agua va disminuyendo a medida que excedemos el aire de entrada a la reacción. Aunque los autores indica “Los efectos que tendrá el incremento de la cantidad de vapor de agua, tanto en el producto como en el refractario, son difíciles de predecir teóricamente y, por tanto, serán necesarios estudios experimentales para evaluar su efecto”.

Si la corriente de entrada a la combustión no tiene carbono, como es el caso del gas natural, se elimina de manera permanente la formación de dióxido de carbono en la corriente de salida. Por lo tanto, como podemos comprobar, el uso de hidrógeno como combustible, permite la descarbonización del proceso de generación de calor industrial de alta temperatura.

Si entramos a analizar la mezcla de hidrógeno en gas natural, es denominado Blending, podremos observar que las propiedades de la mezcla resultante se ven modificadas significativamente. En esos casos, se emplea el índice de Wobbe para determinar la intercambiabilidad de gases combustibles. Dos gases son intercambiables cuando para un quemador determinado, con las mismas condiciones de suministro (P y T), se mantienen las mismas características de combustión: flujo de calor y comportamiento de la llama.

Por lo tanto, el índice de Wobbe se utiliza para comparar la energía proporcionada por combustibles gaseosos de diferente composición en un mismo quemador. En el siguiente link podréis acceder a una publicación mía donde explico como calcularlo.

Se puede observar que el poder calorífico de las mezclas disminuye a medida que se aumenta la cantidad de hidrógeno, es decir, disminuye progresivamente la energía contenida por unidad de volumen, dado que el hidrógeno presenta un menor poder calorífico por unidad de volumen.

Mismos quemadores

Como se puede observar en la siguiente gráfica, si se establece como criterio una tolerancia en la variación del índice de Wobbe del 5%, la incorporación de hasta un 20% de hidrógeno en volumen al gas natural, permitiría trabajar con los mismos quemadores y sistema de combustión. Para porcentajes superiores se deberían realizar modificaciones, e incluso cambios en el diseño de los quemadores.

Como podemos observar en la siguiente imagen, la progresiva descarbonización por el desplazamiento del gas natural gracias al hidrógeno es muy lenta, debido a su bajo poder calor.

Carburos Metálicos quiere adaptar el quemador oxicombustible (combustión oxígeno) de llama plana que fue diseñado originalmente para la industria del vidrio. En la Imagen 6 podréis ver su aspecto exterior.

Tiene varias características clave que incluyen hasta un 95% de capacidad de direccionamiento del oxígeno, un modo de reducción de espuma para mejorarla absorción de calor en los hornos, bajas emisiones de NOx y sensores opcionales para el monitoreo remoto del rendimiento. En la Imagen 7, se detallan los distintos modos de funcionamiento posibles del quemador.

El pórtico precombustor central donde el combustible y el oxígeno primario inician la combustión y la llama se Upper O₂ Staging Port Precombustor (Fuel/Primary O₂ Port) Lower O₂ Staging Port forma y se estabiliza.

El pórtico de salida superior e inferior permiten un control direccional del oxígeno, obteniendo de esa manera un ajuste de longitud, régimen y luminosidad de la llama.

Ensayos

Durante el estudio han llevado a cabo ensayos experimentales con el quemador Cleanfire® HRx™ usando diferentes mezclas de hidrógeno con gas natural, desde 100% gas natural hasta 100% con H₂, utilizando principalmente oxígeno como comburente.

Tras los ensayos han observado dos cosas:

1. La forma de la llama también cambia al aumentar el hidrógeno. Como hemos indicado al inicio, la velocidad de propagación de la llama es superior en el caso de la combustión del hidrógeno, por lo tanto, se reduce la longitud de la llama. En ese caso, se debe prestar especial atención al perfil de liberación de calor, para ajustar la transferencia de calor al producto.
2. La nueva atmósfera generada no ha tenido efecto sobre la cámara de combustión, ni tampoco han observado puntos calientes en el quemador, conclusión relevante

Cabe indicar que, durante las pruebas experimentales, no se observaron efectos de degradación en la cámara de combustión ante la nueva atmósfera generada, y tampoco se observaron puntos calientes en la cara del bloque del quemador, a pesar de que la llama de hidrógeno posee una temperatura mayor que la del gas natural.

Desde una perspectiva más profunda, la transición del gas natural al hidrógeno en la industria cerámica no es solo un ajuste técnico, sino una redefinición de nuestra relación con el fuego y la materia. Este cambio simboliza el esfuerzo humano por desvincular el progreso industrial de la degradación atmosférica, buscando una combustión "limpia" que devuelva al aire vapor de agua en lugar de carbono. Sin embargo, esta pureza conlleva una paradoja: el hidrógeno es un combustible más exigente, con una velocidad de llama siete veces superior y una intensidad térmica que desafía la resistencia de nuestras estructuras actuales.

Ager Elorduy Prieto es analista del sector energético. Ingeniero de procesos en la Ingeniería española Sener.