32) Combustión de hidrógeno.

Como norma general, para que exista una combustión son necesarios 3 elementos: Combustible, comburente y una fuente de ignición. En el caso del H₂, el propio gas actúa de combustible, y el oxigeno del propio aire actúa de comburente.

Por otra parte, la energía mínima necesaria para iniciar la ignición, a presión atmosférica, es de 0,02mJ, un valor extremadamente bajo en comparación de otros gases.

Una vez iniciada la combustión, se obtiene una llama prácticamente invisible al ojo humano, que solamente las impurezas propias del ambiente, como pueden ser polvo, fibras… pueden añadir cierta visibilidad a la llama.

Como curiosidad, destacar que en Los Juegos Olímpicos de Tokio 2020, que se celebraron en el verano de 2021 a causa de la pandemia Covid-19, se empleo hidrógeno como combustible para la antorcha olímpica. Con la clara intención de evitar las suspicacias, las autoridades niponas incluyeron una concentración residual de carbonato sódico, para de ese modo, obtener una llama de color azul, visible para todo los espectadores.

El hidrógeno irradia poco calor infrarrojo, por su baja emisividad, pero en cambio, dispone de una radiación ultravioleta sustancial. Con todo esto que quiero transmitir, que aunque no se vea la llama o se sienta poco calor en las cercanías, si acercamos la mano, obviamente sufriremos una quemadura importante. Porque la temperatura adiabática de la llama de hidrógeno, es de 2500K aproximadamente.

Por otra parte, el gas H₂ no tiene olor, con lo que el olfato humano no nos permite alertarnos de una posible fuga (aunque la fuga es silbante, con lo que el oído puede ayudar a saber que hay una fuga). El gas natural tampoco tiene un olor característico, y precisamente, para solventarlo se le incluye mercaptanos. De esa manera, nuestros detectores nasales nos adviertan de su presencia.

Sin embargo, los mercaptanos no son validos como odorizantes para el hidrógeno, ya que actúan como catalizadores de la reacción de combinación entre el hidrogeno y el carbono, pudiendo causar un debilitamiento de las propiedades mecánicas de las tuberías de transporte.

Análogamente, el azufre presente en la molécula de los mercaptanos, actúa como veneno para el catalizador de platino de las pilas de combustible PEMFC. Es por ello, que será necesario investigar en odorizantes útiles, si se pretende democratizar el uso del hidrógeno.

Esto hace que sea imprescindible el uso de detectores de llama en los quemadores para evitar sustos, para ello se utilizan sensores ópticos, UV o IR, cámaras termográficas (como es el caso de la foto adjunta).

En la siguiente imagen podéis comprobar la diferencia que se aprecian en la llama ante distintas mezclas de una combustión en un quemador de difusión:

1)   100% Gas Natural.

2)   50% Gas Natural – 50% Hidrógeno

3)   100% Hidrógeno

Dar las gracias a Isabel Álava Pérez y a IKERLAN por compartir su conocimiento en temas de combustión.

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32) Combustion of hydrogen.

As a general rule, for there to be combustion, 3 elements are necessary: fuel, oxidizer and an ignition source. In the case of H₂, the gas itself acts as fuel, and the oxygen in the air itself acts as oxidizer.

On the other hand, the minimum energy required to initiate ignition, at atmospheric pressure, is 0.02mJ, an extremely low value compared to other gases.

Once the combustion starts, a flame is obtained that is practically invisible to the human eye, and only the impurities of the environment, such as dust, fibers... can add some visibility to the flame.

As a curiosity, it should be noted that in the Tokyo 2020 Olympic Games, which were held in the summer of 2021 due to the Covid-19 pandemic, hydrogen was used as fuel for the Olympic torch. With the clear intention of avoiding suspicion, the Japanese authorities included a residual concentration of sodium carbonate, in order to obtain a blue flame, visible to all spectators.

Hydrogen radiates little infrared heat, due to its low emissivity, but instead, it has substantial ultraviolet radiation. With all this that I want to convey, that even if you don't see the flame or feel little heat nearby, if we bring our hand closer, we will obviously suffer a significant burn. Because the adiabatic temperature of the hydrogen flame is approximately 2500K.

On the other hand, H₂ gas does not have an odor, so human smell does not allow us to alert us to a possible leak (although the leak is hissing, so the ear can help to know that there is a leak). Natural gas does not have a characteristic odor either, and precisely, to solve it, mercaptans are included. In this way, our nasal detectors warn us of their presence.

However, mercaptans are not valid as odorants for hydrogen, since they act as catalysts for the combination reaction between hydrogen and carbon, and can cause a weakening of the mechanical properties of transport pipelines.

Similarly, the sulfur present in the mercaptan molecule acts as a poison for the platinum catalyst in PEMFC fuel cells. That is why it will be necessary to investigate useful odorants, if the use of hydrogen is to be democratized.

This makes it essential to use flame detectors in the burners to avoid scares, for which optical, UV or IR sensors are used, thermographic cameras (as is the case in the attached photo).

In the following image you can see the difference that can be seen in the flame when faced with different mixtures of combustion in a diffusion burner:

1) 100% Natural Gas.

2) 50% Natural Gas – 50% Hydrogen

3) 100% Hydrogen

Thank Isabel Álava Pérez and IKERLAN for sharing their knowledge on combustion issues.