Modelación de la generación de material particulado en función de la composición del combustible

Abstract

Los alarmantes episodios de enfermedades respiratorias en ciudades como Bogotá, evidencian que se esta presentando una problemática ambiental, en donde la baja calidad del aire se identifica como la causa de dichas enfermedades. Uno de los principales agentes de detrimento ambiental es el material particulado (MP), cuyas principales fuentes son los vehículos que operan con ciclo diesel y las fuentes fijas industriales. Debido a que emplean combustibles con alto peso molecular, cuya composición cuenta con especies químicas identificadas como precursoras directas de MP. En este estudio se desarrolla un modelo de formación de MP que permite evidenciar el efecto generado en la emisión de MP ante cambios en la estructura y composición del combustible. Se implementa un modelo de combustión y pirólisis en fase gaseosa, acoplado con un modelo fenomenológico multi-etapas de formación de MP. El modelo predice formación de especies gaseosas, MP y número de densidad de partículas, N, entre otros. La temperatura es una variable de entrada, no son considerados fenómenos de transferencia de calor, masa o turbulencia, es planteado para un proceso de isobárico, premezclado y en flujo estable. Es un modelo cero dimensional, considera únicamente la dimensione temporal. Como caso de análisis, se realiza una comparación entre la formación de MP para la combustión de diésel (fósil), y su mezcla con biodiésel de palma. Los mecanismos y reacciones implementadas hicieron necesaria la consideración de especies químicas oxigenadas, propias de combustibles de origen orgánico. Los resultados permiten evidenciar el potencial teórico de reducción asociado a la implementación de biodiésel mezclado con diesel. Estos resultados son comparados con algunas experiencias y resultados disponibles en la literatura, encontrándose una buena reproducción del fenómeno, en cuanto a tendencia y magnitudes de algunas especies químicas. Por último, se analiza el impacto de la relación aire-combustible y la temperatura en el proceso de formación de MP para los combustibles considerados. / Abstract. The alarming episodes of respiratory diseases in cities like Bogotá, show that it is an environmental problem, where poor air quality is marked as the cause. One of the main agents of environmental detriment is the particulate matter (PM), relevant sources are: cars running under diesel and industrial smoke. Because of the use of high molecular weight fuels, which contain chemical species that has been identified as PM precursors. In this study a computational model is developed for PM formation as a function of fuel composition. A model of combustion and pyrolysis in gas phase is implemented, coupled with a phenomenological multi-step model of PM formation. The model predicts gaseous species formation, PM and particles number density, N, and more. Temperature is an input variable, and heat transfer, mass transfer, and turbulence phenomena are not considered. The combustion process is developed under an isobaric, premixed and stable flow. Is a zero- dimentional model, the one variable is the time. As analysis case, a comparison is made between PM formation in diesel combustion and palm biodiesel-diesel mixture. The kinetic mechanism implemented required the consideration of oxygen chemical species, tipical of organic fuels. Results evidence theoretical potential reduction associated with implementation of biodiesel-diesel mixtures. These results are compared with some experiences and results available in literature, finding good agreement, in terms of behaviour and values of some chemical species concentration. Finally, the impact of air-fuel ratio and the temperature in the PM formation process is analized for the fuels considered.