Determinação experimental dos limites de inflamabilidade de misturas de gás natural e hidrogênio (GN-H₂-AR) ricas em hidrogênio

Abstract

A incorporação de hidrogênio (H₂) nas redes de gás natural como estratégia de descarbonização altera as propriedades de combustão da mistura, modificando os limites de inflamabilidade e os parâmetros de segurança. Este trabalho teve como objetivo determinar experimentalmente os limites inferior (LII) e superior (LSI) de inflamabilidade de misturas ternárias CH₄/C₃H₈/H₂, com frações de H₂ entre 29% e 72% em volume, mantendo o Índice de Wobbe próximo ao de referência do gás natural. A metodologia baseou-se na norma ASTM E681, utilizando uma câmara esférica de 5 L à pressão atmosférica e temperatura ambiente, com preparação por pressões parciais e inspeção visual via câmera de alta velocidade. O funcionamento operacional do sistema foi verificado por meio de ensaios preliminares com metano e propano. Os resultados mostraram que o H₂ ampliou a faixa de inflamabilidade das misturas, principalmente pelo aumento do LSI, que passou de 19,25% para 26,94%, enquanto o LII variou entre 4,24% e 4,93%. A análise pela Lei de Le Chatelier indicou melhor concordância para o LSI (desvios de 0,48% a 7,26%) do que para o LII (desvios de 16,93% a 40,02%), que apresentou tendência de subestimação pelo modelo teórico. Conclui-se que misturas ricas em hidrogênio ampliam significativamente a região inflamável, reforçando a necessidade de dados experimentais específicos para garantir a segurança em aplicações energéticas.

The incorporation of hydrogen (H₂) into natural gas grids as a decarbonization strategy alters the combustion properties of the mixture, modifying flammability limits and safety parameters. This work aimed to experimentally determine the lower (LFL) and upper (UFL) flammability limits of ternary CH₄/C₃H₈/H₂ mixtures, with H₂ volume fractions ranging from 29% to 72%, while maintaining the Wobbe Index close to the natural gas reference value. The experimental methodology was based on the ASTM E681 standard, using a 5 L spherical vessel operating at atmospheric pressure and room temperature, with mixture preparation by partial pressures and visual inspection via a high-speed camera. The operational performance of the experimental system was verified through preliminary tests with methane and propane. The results showed that H₂ widened the flammability range of the mixtures, mainly due to an increase in the UFL, which rose from 19.25% to 26.94%, while the LFL varied between 4.24% and 4.93%. Analysis using Le Chatelier's Law indicated better agreement for the UFL (deviations from 0.48% to 7.26%) than for the LFL (deviations from 16.93% to 40.02%), which showed a trend of underestimation by the theoretical model. It is concluded that hydrogen-rich mixtures significantly expand the flammable region, reinforcing the need for specific experimental data to ensure safety in energy applications.