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Ignition and Reactive-Structure Transition of Ammonia/Hydrogen Blends under MILD Combustion Conditions

Este estudio emplea simulaciones numéricas de flamelets de contraflujo para investigar la dinámica de ignición y las transiciones de estructura reactiva de mezclas de amoníaco/hidrógeno bajo condiciones de combustión MILD, revelando cómo la dilución del combustible y el enriquecimiento de hidrógeno gobiernan la evolución desde la ignición localizada hacia zonas de reacción distribuidas, al tiempo que elucida los impactos resultantes en los perfiles de temperatura y las vías de formación de NO.

Autores originales: Biagio Cassese, Giancarlo Sorrentino, Pino Sabia, Raffaele Ragucci, Mara de Joannon

Publicado 2026-10-27

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CC BY 4.0

Autores originales: Biagio Cassese, Giancarlo Sorrentino, Pino Sabia, Raffaele Ragucci, Mara de Joannon

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El impulso global hacia la descarbonización del sector energético ha dirigido la atención científica hacia combustibles que arden sin liberar dióxido de carbono. Dos de estos candidatos son el hidrógeno y el amoníaco. El hidrógeno suele verse como el combustible limpio definitivo, pero almacenarlo y transportarlo es difícil y costoso. El amoníaco, una molécula compuesta por nitrógeno e hidrógeno, ofrece una solución práctica: es más fácil de almacenar y transportar, y posee una alta densidad de hidrógeno dentro de sus enlaces químicos. Sin embargo, quemar amoníaco es complicado. No es muy reactivo, lo que significa que es difícil de encender y arde lentamente. En motores o hornos estándar, le cuesta mantenerse encendido y puede producir óxidos de nitrógeno nocivos. Para superar estos obstáculos, los ingenieros están explorando una técnica llamada combustión MILD. Este método consiste en precalentar el aire y mezclarlo con una gran cantidad de gases de escape reciclados antes de introducir el combustible. Esto crea un entorno caliente y diluido donde las reacciones químicas ocurren de manera más suave y extendida, en lugar de en un frente de llama único e intenso. Este enfoque promete hacer que combustibles difíciles de quemar, como el amoníaco, sean estables y limpios, pero los científicos necesitaban comprender exactamente cómo funciona el proceso de ignición en estas condiciones específicas antes de construir sistemas del mundo real.

Un equipo de investigadores del Consejo Nacional de Investigación de Italia se propuso mapear este proceso mediante simulaciones computacionales detalladas. Se centraron en cómo el amoníaco, y las mezclas de amoníaco con hidrógeno, se encienden y estabilizan cuando se exponen a una corriente de aire caliente y diluido. En lugar de construir un quemador físico, modelaron una capa delgada donde el combustible y el aire caliente se encuentran, lo que les permitió observar cómo se desarrollan las reacciones químicas con extremo detalle a lo largo del tiempo. Su objetivo era ver cómo se forma la zona de reacción, cómo se mueve y cómo la adición de hidrógeno cambia el comportamiento del amoníaco. Probaron una amplia gama de condiciones, variando la cantidad de nitrógeno utilizado para diluir el combustible, la temperatura del aire entrante y la velocidad a la que se mezclaban los gases.

Las simulaciones revelaron que la ignición siempre comienza en el lado donde el aire es más abundante, conocido como el lado pobre (lean side). Es aquí donde el oxidante caliente activa por primera vez la actividad química. A partir de ahí, la historia diverge dependiendo de cuánto se diluye el combustible. Cuando el combustible está solo ligeramente diluido, la reacción comienza como un punto localizado que se extiende rápidamente hacia el lado rico en combustible. Se comporta de forma similar a una llama tradicional, formando zonas distintas y estratificadas de liberación de calor. Sin embargo, cuando el combustible está fuertemente diluido con nitrógeno, la reacción se comporta de manera diferente. Los puntos intensos y localizados no logran formarse. En su lugar, la liberación de calor se extiende en una región amplia y suave que cubre un área extensa. Esta es la firma de la combustión MILD, donde la reacción es distribuida en lugar de concentrada. Los investigadores descubrieron que añadir hidrógeno a la mezcla de amoníaco hace que el combustible se encienda mucho más rápido, pero no cambia fundamentalmente este cambio de una llama localizada a una reacción distribuida a medida que aumenta la dilución.

Un descubrimiento clave del estudio se refiere a la relación entre la zona de reacción y la proporción de mezcla ideal entre combustible y aire. En las llamas convencionales, la parte más caliente del fuego se sitúa exactamente donde el combustible y el aire están perfectamente equilibrados. En estas condiciones altamente diluidas, los investigadores observaron que esta conexión se rompe. A medida que la dilución aumenta más allá de cierto punto —alrededor del setenta y cinco o ochenta por ciento de nitrógeno—, la ubicación de la actividad química más intensa se desplaza del punto de mezcla ideal. La zona de reacción se desacopla del punto estequiométrico, lo que significa que el fuego ya no está anclado al lugar específico donde el combustible y el aire coinciden perfectamente. Este cambio marca la transición hacia el verdadero régimen MILD. El estudio mostró que, si bien añadir hidrógeno hace que la química sea más reactiva, el movimiento físico de las moléculas sigue empujando la zona de reacción hacia el lado pobre, creando un equilibrio complejo entre la velocidad química y la difusión física.

Los investigadores también rastrearon la trayectoria de los átomos de nitrógeno para comprender cómo se forman los óxidos de nitrógeno nocivos. Descubrieron que, en condiciones menos diluidas, añadir hidrógeno aumenta la producción de estos contaminantes porque acelera las reacciones químicas que convierten el nitrógeno del combustible en óxidos. Sin embargo, en el régimen distribuido y altamente diluido, ocurre lo contrario. Las zonas de reacción más amplias y frescas suprimen la formación de óxidos de nitrógeno, incluso cuando se añade hidrógeno. El estudio identificó vías químicas específicas que dominan el proceso, mostrando que la ruta que toma el nitrógeno para convertirse en contaminante cambia a medida que el entorno se vuelve más diluido. En los casos más diluidos, la red química se simplifica y la formación de óxidos de nitrógeno es naturalmente limitada por las propias condiciones de la combustión MILD.

Estos hallazgos ofrecen una imagen clara de cómo se comportan el amoníaco y las mezclas de amoníaco e hidrógeno cuando se encienden en un entorno caliente y diluido. El trabajo confirma que, si bien el hidrógeno ayuda a que el amoníaco se encienda más fácilmente, la naturaleza única y distribuida de la combustión MILD solo emerge cuando el combustible está suficientemente diluido. La transición de una llama tradicional y anclada a una reacción generalizada y suave es un umbral crítico que los ingenieros deben navegar. Al comprender exactamente dónde ocurre esta transición y cómo cambian las vías químicas, el estudio ofrece una hoja de ruta para diseñar futuros sistemas de combustión que puedan utilizar de forma segura y limpia el amoníaco como fuente de combustible libre de carbono. Las simulaciones sugieren que, con el equilibrio adecuado de dilución y temperatura, es posible quemar estos combustibles desafiantes sin las altas temperaturas que típicamente crean contaminación, allanando el camino hacia un futuro energético más limpio.

Resumen Técnico: Ignición y Transición de la Estructura Reactiva de Mezclas de Amoníaco/Hidrógeno bajo Condiciones de Combustión MILD

Planteamiento del Problema
La descarbonización del sector energético ha intensificado el interés en el amoníaco ( $NH_3$ ) como un portador de energía libre de carbono, a menudo mezclado con hidrógeno ( $H_2$ ) para superar su baja reactividad, su alta temperatura de autoignición y sus estrechos límites de inflamabilidad. Si bien la combustión MILD (Moderada o Intensa Dilución en Oxígeno, por sus siglas en inglés), caracterizada por una baja concentración de oxígeno, ha mostrado potencial para estabilizar las llamas de amoníaco con bajas emisiones de $NO_x$ , la literatura existente se centra predominantemente en condiciones de estado estacionario. Existe una brecha de conocimiento crítica respecto al comportamiento transitorio de la combustión de amoníaco, específicamente la dinámica de ignición y la evolución de las estructuras reactivas bajo condiciones altamente diluidas y controladas por difusión. Comprender estos fenómenos transitorios es esencial para el diseño seguro y fiable de quemadores para turbinas de gas, hornos e instalaciones de incineración donde operan combustibles de bajo poder calorífico en entornos de productos calientes.

Metodología
El estudio emplea simulaciones numéricas utilizando el resolvedor de flujo reactivo 1D CHEM1D para modelar flamelets de difusión contraflujo bajo condiciones de Combustión de Combustible Diluido con Oxidante Caliente (HODF). Esta configuración imita la combustión MILD al exponer una corriente de combustible (amoníaco puro, hidrógeno puro o mezclas) a una corriente de oxidante caliente y altamente diluida.

Parámetros: Las simulaciones cubren temperaturas de entrada del oxidante de 1400, 1600 y 1800 K; tasas de deformación (strain rates) de 50, 150 y 500 $s^{-1}$ ; y niveles de dilución con nitrógeno que oscilan entre el 0% y el 93%. La relación de mezcla de hidrógeno varía del 0% al 100%.
Química y Transporte: Se utiliza el mecanismo de cinética química de Manna et al. (2023), validado para condiciones MILD de alta dilución. Se prueban tanto las aproximaciones de difusión de mezcla promedio como las de número de Lewis unitario para evaluar la sensibilidad del transporte.
Análisis: Se realizaron un total de 252 simulaciones transitorias. El post-procesamiento implica el seguimiento de la evolución temporal de la fracción de mezcla en el máximo de liberación de calor ( $Z(\dot{q}_{max})$ ) y el máximo aumento de temperatura ( $Z(\Delta T_{max})$ ) con respecto a la fracción de mezcla estequiométrica ( $Z_{st}$ ). La formación de óxidos de nitrógeno ( $NO_x$ ) se analiza mediante integrales de dominio y descomposición detallada de vías (incluyendo un análisis basado en grafos de la conversión de $NH_3$ a $NO$ ).

Contribuciones Clave y Resultados

Ignición Transitoria y Evolución de la Estructura Reactiva:
- La ignición se desencadena consistentemente en el lado pobre (lean) de la capa de mezcla, donde el oxidante caliente inicia la activación química.
- Dilución Baja/Moderada: La zona de reacción evoluciona hacia una estructura localizada y estratificada. Tras una ignición inicial en la zona pobre, a menudo se forma un núcleo de autoignición secundario en el lado rico que se propaga hacia este, creando estructuras de liberación de calor de múltiples picos.
- Alta Dilución: Una fuerte dilución suprime la ignición secundaria en el lado rico. La zona reactiva evoluciona hacia un régimen "igni-difusivo" más amplio, débil y espacialmente distribuido, característico de la combustión MILD, permaneciendo confinado a fracciones de mezcla más pobres sin cruzar $Z_{st}$ .
Retraso de Ignición y Estabilización:
- El aumento de la dilución con nitrógeno incrementa sistemáticamente el retraso de la ignición. La adición de hidrógeno acelera significamente la ignición, reduciendo el retraso en un orden de magnitud incluso con niveles bajos de mezcla (5% de $H_2$ ). Sin embargo, el efecto de aceleración relativa del hidrógeno disminuye en niveles de dilución muy altos.
- La estabilización de la zona de oxidación dominante está controlada principalmente por la dilución. Con baja dilución, la zona se estabiliza en el lado rico; a medida que la dilución aumenta, se desplaza hacia el lado pobre. La mezcla de hidrógeno modula la nitidez de esta transición, pero no altera fundamentalmente el umbral de dilución para el cambio de régimen.
Desacoplamiento Estequiométrico y Criterio de Transición:
- Bajo condiciones de dilución débil, la región reactiva máxima permanece anclada a la fracción de mezcla estequiométrica ( $Z_{st}$ ).
- Bajo condiciones de alta dilución, ocurre un desacoplamiento espacial progresivo donde la ubicación de la actividad química máxima ( $Z(\Delta T_{max})$ ) diverge de $Z_{st}$ .
- El estudio define una métrica de desplazamiento normalizado ( $D_T$ ) para cuantificar esta transición. Para la configuración de referencia, la transición de una estructura de difusión anclada estequiométricamente a un régimen MILD distribuido ocurre aproximadamente al 75–80% de dilución con nitrógeno. El enriquecimiento con hidrógeno tiene efectos contrapuestos: la mayor reactividad tiende a preservar el anclaje estequiométrico, mientras que la alta difusividad del hidrógeno promueve el desplazamiento hacia mezclas más pobres.
Química del Nitrógeno y Formación de $NO_x$ :
- Vías: Las rutas dominantes para la formación de $NO$ están mediadas por las especies HNO y NH. Un esqueleto robusto de $NH_3 \to NH_2 \to NH$ inicia la conversión, seguido de la competencia entre la oxidación directa a $NO$ , la oxidación vía HNO y (bajo condiciones de alta dilución y bajo contenido de hidrógeno) vía $H_2NO$ .
- Tendencias de Emisiones: Con dilución moderada, el $NO$ aumenta con el contenido de hidrógeno debido al incremento de los pools de radicales. Con alta dilución, el $NO$ disminuye con el enriquecimiento de hidrógeno debido a la menor disponibilidad de nitrógeno ligado al combustible y a zonas de reacción más frías y distribuidas.
- Efecto de la Dilución: La dilución suprime tanto las vías de producción como las de consumo de $NO$ . Sin embargo, para mezclas con alto enriquecimiento de hidrógeno, la dilución desplaza efectivamente el equilibrio hacia una reducción en la formación neta de $NO$ . La formación de $N_2O$ es favorecida a bajas temperaturas y alta dilución, alcanzando su máximo con un enriquecimiento de hidrógeno moderado.

Significancia
Este trabajo proporciona conocimientos fundamentales sobre la cinética de ignición y los límites de estabilidad del amoníaco y las mezclas de amoníaco/hidrógeno bajo condiciones MILD, abordando un vacío en el análisis transitorio. Los hallazgos demuestran que el concepto convencional de un frente de llama anclado estequiométricamente se vuelve menos representativo bajo condiciones de alta dilución, donde la zona reactiva queda controlada cinéticamente y se distribuye espacialmente. La identificación de un umbral de transición de dilución (75–80% de $N_2$ ) y la caracterización de los efectos competitivos de transporte y cinética del enriquecimiento con hidrógeno ofrecen datos críticos para el diseño y la optimización de futuros sistemas de combustión libres de carbono que utilicen combustibles basados en amoníaco. El estudio confirma que la combustión MILD es una estrategia viable para estabilizar las llamas de amoníaco con bajas emisiones, siempre que la transición hacia estructuras reactivas distribuidas se gestione adecuadamente.

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