Un dispositivo asequible hace que los hornos domésticos sean más limpios, más seguros y duren más

Por Laboratorio Nacional Oak Ridge16 de marzo de 2023

El galardonado horno de gas natural de alta eficiencia y condensación ultralimpio de ORNL cuenta con una tecnología adicional asequible que puede eliminar más del 99,9 % de los gases ácidos y otras emisiones. La tecnología también se puede agregar a otros equipos impulsados ​​por gas natural. Crédito: Jill Hemman/ORNL

Las calderas de gas natural no sólo calientan su hogar, sino que también producen una cantidad significativa de contaminación.

Incluso los hornos de condensación modernos de alta eficiencia producen cantidades significativas de condensación ácida corrosiva y niveles nocivos para la salud de óxidos de nitrógeno, monóxido de carbono, hidrocarburos y metano. Estas emisiones normalmente se liberan a la atmósfera y terminan contaminando nuestro suelo, agua y aire.

Ahora, los científicos del Laboratorio Nacional Oak Ridge (ORNL) del Departamento de Energía han desarrollado una tecnología complementaria asequible que elimina más del 99,9 % de los gases ácidos y otras emisiones para producir un horno de gas natural ultralimpio. Esta tecnología de reducción de gases ácidos, o AGR, también se puede agregar a otros equipos impulsados ​​por gas natural, como calentadores de agua, calderas comerciales y hornos industriales.

"Así como los convertidores catalíticos ayudan a reducir las emisiones de miles de millones de vehículos en todo el mundo, la nueva tecnología AGR puede eliminar virtualmente los problemáticos gases de efecto invernadero y la condensación ácida producida por los hornos de gas residenciales nuevos y existentes", dijo Zhiming Gao, investigador del personal de Ciencia y Tecnología Energética de ORNL. Dirección. "Un condensado ecológico elimina la necesidad de utilizar materiales de acero inoxidable resistentes a la corrosión para los intercambiadores de calor de los hornos, lo que reduce los costos de fabricación".

Para demostrar la eficacia de la reducción de gases ácidos en un horno, los investigadores fabricaron un catalizador AGR, lo encerraron en una carcasa metálica e instalaron el dispositivo en un horno de condensación de alta eficiencia estándar disponible comercialmente. Los resultados después de una prueba de confiabilidad y durabilidad de 400 horas mostraron que el AGR eliminó casi por completo las emisiones nocivas de los gases de combustión y produjo un condensado no ácido con un nivel de pH neutro.

Para examinar la condición interna y la distribución del hollín del AGR posterior a la prueba sin dañar los canales de flujo de gas del dispositivo, los científicos utilizaron tomografía computarizada de neutrones en el Reactor de Isótopos de Alto Flujo de ORNL, o HFIR. A diferencia de los rayos X, los neutrones pueden penetrar la carcasa metálica para registrar imágenes que luego se utilizan para producir representaciones 2D y 3D del dispositivo usado.

"Estos conocimientos permitirán diseños mejorados de dispositivos AGR para un patrón de flujo de gas más uniforme y autolimpiante", dijo Gao. "Esto también ayudará a aliviar la acumulación excesiva de hollín para mejorar el rendimiento del horno habilitado para AGR".

Las partículas de hollín, que normalmente se forman debido a la combustión incompleta de hidrocarburos, contienen una cantidad sustancial de hidrógeno. Los neutrones son especialmente buenos para detectar y mapear hidrógeno y otros elementos ligeros.

"Las imágenes de neutrones y el mapeo después de la prueba AGR proporcionaron detalles sobre cómo el gas de combustión fluyó a través del AGR, lo que reveló la gran acumulación de partículas de hollín en el medio del catalizador", dijo Yuxuan Zhang de ORNL, científico de instrumentos de neutrones en HFIR.

La tecnología AGR permitiría a los fabricantes de hornos utilizar materiales más asequibles que los aceros inoxidables utilizados en la mayoría de los intercambiadores de calor. Esta mayor asequibilidad podría permitir a los fabricantes de hornos vender más hornos de alta eficiencia que cumplan con los nuevos estándares propuestos por California para las emisiones de hornos residenciales y comerciales.

"Actualmente, los hornos habilitados para AGR requerirían una regeneración fuera de línea del dispositivo aproximadamente una vez cada tres años en condiciones de uso normales", dijo Gao. “Un propietario o un técnico podría retirar la unidad AGR y llevarla a un lugar de regeneración y reciclaje. Esto sería similar a cómo los consumidores llevan sus tanques vacíos de gas natural para sus parrillas al aire libre a un distribuidor para cambiarlos por tanques llenos”.

Referencia: “Diagnóstico no destructivo por imágenes de neutrones de un catalizador de reducción de gas ácido después de una operación de 400 horas en un horno de gas natural” por Zhiming Gao, Yuxuan Zhang, Shuo Qian, Weiwei Yang, Zili Wu, Kyle Gluesenkamp, ​​Kashif Nawaz y Anthony Gehl, 2 de noviembre de 2022 , Revista de Ingeniería Química.DOI: 10.1016/j.cej.2022.140099

En 2022, la tecnología ORNL AGR recibió el codiciado premio R&D 100 y fue seleccionada para inversión específica a través del Programa de Innovación Tecnológica de ORNL.

La investigación fue patrocinada por la Oficina de Tecnologías de Construcción del DOE y utilizó recursos del Centro de Investigación e Integración de Tecnologías de Construcción de ORNL, HFIR y el Centro de Ciencias de Materiales Nanofásicos, o CNMS.