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Estudio computacional del proceso de Reburn de bagazo de caña de azúcar en una cámara de combustión dual

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Academic year: 2020

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(1)ESTUDIO COMPUTACIONAL DEL PROCESO DE REBURN DE BAGAZO DE CAÑA DE AZUCAR EN UNA CÁMARA DE COMBUSTIÓN DUAL.. Tesis Maestría En Ingeniería Mecánica. Presentado Por: Andrés Mauricio Pérez Gordillo. Asesor: PhD. Omar Darío López. Profesor Asistente Universidad de los Andes. Departamento De Ingeniería Mecánica Facultad De Ingeniería UNIVERSIDAD DE LOS ANDES Bogotá, 03 de Marzo de 2012.

(2) TABLA DE CONTENIDO. 1. RESUMEN. .............................................................................................. 6. 2. INTRODUCCION ..................................................................................... 6. 3. 4. 2.1. Formación de los NOX....................................................................... 7. 2.2. Reburn. .............................................................................................. 7. 2.3. Bagazo de caña. .............................................................................. 12. OBJETIVOS........................................................................................... 13 3.1. Objetivo General. ............................................................................. 13. 3.2. Objetivos Específicos....................................................................... 13. MODELAMIENTO MATEMATICO. ........................................................ 14 4.1. 4.1.1. Modelo de longitud de mezcla. .................................................. 16. 4.1.2. Modelo. 4.1.3. Modelo RNG. 4.1.4. Modelo. 4.2. 5. Modelos de Turbulencia................................................................... 15. ............................................................................. 17 .................................................................... 18 realizable. ............................................................ 19. Modelos de Combustión. ................................................................. 19. 4.2.1. Modelo de combustión de Eddy-Breakup.................................. 19. 4.2.2. Modelos de combustión en fluent. ............................................. 20. 4.2.3. Modelo de disipación de Eddy. ................................................. 21. 4.2.4. Modelo de concepto de disipación de Eddy. ............................. 22. CARACTERISTICAS DEL MODELOCOMPUTACIONAL...................... 22 5.1. Geometria y dominio computacional ................................................ 22. 5.2. Características de la malla............................................................... 24. 5.3. Simplificaciones del modelo. ............................................................ 26. 5.4. Reacciones consideradas para el modelo. ...................................... 29. 5.4.1. Reacciones de combustión. ...................................................... 29. 5.4.2. Reacciones de formación y reducción de NOX. ........................ 29 2.

(3) 5.5. 6. Modelamiento de las propiedades físicas de la mezcla. .................. 32. 5.5.1. Densidad. .................................................................................. 32. 5.5.2. Viscosidad. ................................................................................ 32. 5.5.3. Conductividad térmica. .............................................................. 33. 5.5.4. Difusión. .................................................................................... 33. 5.5.5. Calor especifico. ........................................................................ 34. RESULTADOS. ..................................................................................... 35 6.1. Reducción de SO2 ........................................................................... 46. 6.2. CO2 ................................................................................................. 47. 7. CONCLUSIONES. ................................................................................. 47. 8. BIBLIOGRAFÍA ...................................................................................... 49. LISTADO DE FIGURAS. Figura 1: Esquemático de la tecnología de Reburn (1). .................................. 9 Figura 2: Modelo en corte e identificación de zonas en la cámara de combustión [8]............................................................................................... 11 Figura 3: Detalle entrada de aire primario y de carbón. ................................ 23 Figura 4: Modelo en corte de la cámara de combustión [8]. ......................... 23 Figura 5: Detalle de la malla en la entrada de combustible y aire primario. .. 25 Figura 6: Convergencia de la malla. ............................................................. 25 Figura 7: Coeficientes de difusión para diferentes especies incluidas en el modelo. ......................................................................................................... 34 Figura 8: Contornos de velocidad, temperatura y fracciones de masa para ,. ,. y. para 100% carbón. ..................................................... 36. Figura 9: Contornos de velocidad, temperatura y fracciones de masa para ,. ,. y. para 85% carbón. .................................................... 37. Figura 10: Contornos de velocidad, temperatura y fracciones de masa para ,. ,. y. para 80% carbón. .................................................... 38 3.

(4) Figura 11: Contornos de velocidad, temperatura y fracciones de masa para ,. ,. y. para 70% carbón. .................................................... 39. Figura 12: Fracción de masa de NO a lo largo del eje de la cámara de combustión para los diferentes casos simulados. ......................................... 40 Figura 13: Fracción de masa de NO promediada a la salida de la cámara de combustión.................................................................................................... 41 Figura 14: Perfil. de temperatura a lo largo del eje de la cámara de. combustión.................................................................................................... 42 Figura 15: Temperatura promedio ponderada en el volumen para todos los casos. ........................................................................................................... 42 Figura 16: Contornos de velocidad, temperatura y fracciones de masa para ,. ,. y. para 70% carbón inyección de reburn a 20cm desde. la entrada de carbón. .................................................................................... 44 Figura 17: Contornos de velocidad, temperatura y fracciones de masa para ,. ,. y. para 70% carbón inyección de reburn a 50cm desde. la entrada de carbón. .................................................................................... 45 Figura 18: Fracción de masa de NO a la salida de la cámara de combustión para diferentes puntos de inyección de bagazo. ........................................... 46. LISTADO DE TABLAS. Tabla 1: Caracterización del bagazo de caña [12]. ....................................... 13 Tabla 2: Ecuaciones de conservación. ......................................................... 14 Tabla 3: Parámetros de alimentación de combustibles y aire para el estudio experimental [8]. ........................................................................................... 24 Tabla 4: Análisis próximo y último del carbón [8]. ......................................... 28 Tabla 5: Reacciones consideradas para la combustión [13] [15] [17] [23]. ... 29 Tabla 6: Reacciones para la formación de NO. ............................................ 29 Tabla 7: Caos simulados. ............................................................................. 35 4.

(5) Tabla 8: Reducción de emisiones de SO2. ................................................... 47 Tabla 9: Fracciones de masa de CO2 a la salida de la cámara de combustión.................................................................................................... 47. 5.

(6) 1. RESUMEN.. Actualmente debido a la preocupación mundial en torno a los cambios climáticos y ambientales, como el calentamiento global, se adelantan estudios para encontrar soluciones que puedan mitigar las emisiones de gases contaminantes que aportan al efecto invernadero. Dentro de los ejes de interés de estos estudios se pueden mencionar: uso de energías renovables (como energía solar, eólica y la biomasa); usos mas eficientes de la energía y mejoras en los procesos de combustión para la producción de potencia. En la presente tesis de maestría se desarrolló un modelo computacional de una cámara de combustión dual construida en la Universidad de los Andes para un estudio experimental del proceso de reburn, usando como combustible primario carbón pulverizado y como combustible de reburn biomasa, en este caso bagazo de caña de azúcar. Se modeló el proceso de combustión y se predicen las emisiones de NO X, SOX y CO2, los resultados del modelo se validan usando resultados del estudio experimental, después se varíanalgunos parámetros operacionales como rata de alimentación de carbón, rata de alimentación de biomasa, la posición de la inyección de combustible de reburn y la rata de alimentación de aire; para encontrar una reducción de emisiones de NO X dentro de un rango aceptable.. 2. INTRODUCCION. En diferentes industrias a nivel mundial la quema de carbón hace parte fundamental de los procesos de producción. Estos procesos de combustión son grandes emisores de gases de efecto invernadero como es el caso de NOX, SOX y CO2. Tanto el NOX como el SOX son precursores de lluvia acida y la formación de smog; mientras que el CO2 contribuye al calentamiento global [1]. La formación de NOX en los procesos de combustión es el resultado de dos mecanismos de oxidación principales [1]. NOX térmico: reacción del nitrógeno contenido en aire de combustión con excesos de oxígeno a elevadas temperaturas.. 6.

(7) NOX del combustible: oxidación del nitrógeno contenido en el combustible, en este caso carbón. 2.1. Formación de los NOX.. Los óxidos de nitrógenoNOX son contaminantes gaseosos que se forman principalmente de la combustión de combustibles fósiles. Estos conforman una de las especies más contaminantes de la atmosfera. El NOX en presencia de la luz del sol, puede reaccionar con los hidrocarburos para formar ozono a nivel del suelo; además el NOX junto con el SO2 reaccionan con otras especies en el aire como el agua para formar lluvia acida[1]. La taza de formación de NOXtérmico es significativa solo a altas temperaturas superiores a los 1800K, porque se requiere romper el enlace triple del N2, sin embargo la energía de activación de la oxidación del Nitrógeno es baja[10]. Generalmente los gases de combustión generados dentro de los equipos de combustión, cerca del 95% del NOX existe en forma de NO y el resto en NO2[16]. Para la mayor parte de los procesos de combustión de carbón, el NOX térmico representa cerca del 25% del total del NOX producido, mientras que el NOX del combustible representa cerca del 75% del NOX producido[1]. La cantidad de NOX producido depende principalmente de: la temperatura de la llama, el tiempo de residencia a esta temperatura, y la turbulencia (el grado de mezcla de aire combustible) además del contenido de Nitrógeno en el carbón y de la cantidad de aire de exceso usado para la combustión[6]. Con esta motivación se hace necesario adelantar investigaciones que conlleven a mitigar las emisiones de gases de efecto invernadero en los procesos de combustión de carbón,dentro de los cuales se encuentra el Reburn. 2.2. Reburn.. El Reburn es un proceso de requemado de gases que permite controlar la emisión de NOX en procesos de combustión de carbón, es un proceso químicamente complejo en donde el NOX es reducido usando como agente reductor un combustible[1]. 7.

(8) En otras palabras, elreburn es un proceso de combustión que implica la adición de combustible en dos zonas de combustión. Zona de combustión primaria: Es la zona de combustión en donde se quema el carbón en condiciones normales o bajas de aire de exceso en una taza en el rango de 70 al 80% de aire. En esta etapa ya se tiene una reducción de en la producción de NOX ya que la cantidad de carbón quemada es menor y es quemada en condiciones estequiométricas o bajas de aire[1]. Zona de Reburn: Es en donde se inyecta el combustible de Reburn, creando una zona reductora dentro de la cual las moléculas de combustible parten los fragmentos de hidrocarburos que reaccionan con el NOX, produciendo especies reducidas de Nitrógeno, principalmente N2 además de NH3 y HCN. La relación estequiométrica en la zona de Reburn es generalmente del 0,85 a 0,95, esto se logra inyectando combustible de reburn a una tasa del 10 al 30% de la entrada total de calor, dependiendo del nivel de aire de exceso de la zona primaria[1]. Zona de burnout: Se inyecta aire para completar el proceso de combustión, es generalmente del orden del 20% del flujo total de aire. La formación de NOX en esta zona es menor por la menor temperatura[1].. 8.

(9) Figura 1: Esquemático de la tecnología de Reburn (1).. La tecnología de Reburn ha mostrado ser eficaz para la reducción de NOX usando carbón o gas natural como combustible de Reburn, alcanzando valores del 50 al 60% de reducción en las emisiones, sin efectos adversos a la operación del sistema[1]. La biomasa es material orgánico de origen animal o vegetal a cual presente particular interés para ser utilizada como combustible, en parte debido al razonable costo de la biomasa en comparación con otras fuentes renovables de energía y parte por la ventaja de reducir las emisiones de dióxido de carbono CO2 y dióxido de sulfuro SO2 comparado con los combustibles fósiles[2]. Dentro de los estudios revisados se hizo evidente que el modelaje computacional del proceso de reburnes un temapoco discutido, además no se encontraron estudios realizados con bagazo de caña de azúcar como combustible de reburn.. 9.

(10) La mayor parte de los estudios publicados sobre reburn son experimentales y principalmente buscan caracterizar el proceso para diferentes combustibles de reburn [2], [3], [4], [5]. Cuando se usa biomasa como combustible de reburn, es necesario determinar varios factores relevantes en la eficiencia para la reducción de NOX, dentro de estos se tiene: la fracción de combustible de reburn, la relación estequimétrica, el tiempo de residencia de combustible en la zona de reburn y el tamaño de la partícula de biomasa. Se encuentran pocos estudios computacionales sobre reburn[13], [19], [20], [15], [21], [7], [6], [22]. Todos estos estudios modelan el proceso de combustión de reburnbasados en estudios experimentales y evalúan el efecto del combustible de reburn y de parámetros que influencian la reducción de NOX. Por ejemplo en el estudio de Zarnescu et, al [6] usando un modelo CFD se concluye que los efectos de la mezcla compuesta por el combustible de reburn y los gases de la combustión primaria son muy importantes ya que estos dominan la dispersión del combustible de reburn. En este estudio se implementó un modelo avanzado de dinámica de fluidos y un modelo simplificado de química. Vilas et, al, [7] concluye que el elevado contenido de materia volátil en la biomasa y su composición son parámetros importantes para la reducción de NOX. En este estudio se propuso un modelo con un mecanismo detallado de la química de la fase gaseosa, incluyendo simplificaciones al modelo de mezcla, devolatización y reacciones solido gas. Se encontró que bajo condiciones muy enriquecidas, en la zona de reburn, el modelo sobreestima la reducción de NO. Los resultados numéricos de Humanyin [22], muestran que la mayor parte del NOX se produce en la zona de combustión primaria y es ampliamente reducido con la inyección del combustible de reburn. Se observó que como la cantidad de oxigeno se incrementa en la zona de quema de salida, la producción de NOX tiene un pequeño incremento. Annamalai [13] desarrolló un modelo computacional para simular el proceso de reburn con biomasa (en forma gaseosa) y concluye que como el proceso inicia, la concentración de NOX comienza a incrementarse como el proceso de mezcla precede el proceso de reacción química. La reacción de CH 4 con NO es la más rápida y por lo tanto la más importante en la reducción del NO. A medida que la larelación de equivalencia se incrementa, la mezcla se vuelve más rica y por lo tanto se incrementa el efecto de reducción de NO. 10.

(11) En la universidad de los Andes se está adelantando un proyecto experimental estudiando el proceso de reburncon bagazo de caña como combustible secundario; las modificaciones en los parámetros de funcionamiento del proceso y la capacidad para variar los parámetros de funcionamiento del mismo son limitadas en los estudios experimentales, por lo cual se propone adelantar un estudio del proceso con un modelo computacional con el fin de evaluar de manera más rápida económica y simple, el efecto en el rendimiento, de la reducción de NO X, con la variación de parámetros en el proceso de Reburn del bagazo de caña de azúcar. Los resultados obtenidos del estudio experimental son necesarios para la verificación y validación de los resultados obtenidos con el modelo. El montaje experimental se puede observar en la siguiente gráfica:. Figura 2: Modelo en corte e identificación de zonas en la cámara de combustión [8].. Dentro de las especificaciones técnicas de la cámara de combustión se tiene [25]: Descripción general: Cámara de combustión vertical con ducto de escape lateral en la parte inferior del equipo. 6 puertos laterales para inyección de combustible para operación bajo esquema de reburn. 10 11.

(12) puertos para instalación de instrumentación. Sección de atemperación de gases de combustión y captura de material particulado por aspersión de agua. Potencia Calorífica: 25kWh. Combustibles: Carbón bituminoso y biomasa. Agua refrigeración: 4.5 Lt/min. Aire de combustión: Primario 1 – 10 CFM; secundario 6 – 50 CFM. Dimensiones generales del equipo: alto 3360mm, ancho 560mm, largo 1803mm. Peso del equipo: 930Kg sin alimentadores de combustible. Gases de escape: 70CFM máximo. Temperatura salida gases de escape: 150C. Las características del alimentador de carbón son [8]: Material: Carbón bituminoso pulverizado. Densidad: 0,61 a 0,68 kg/lt Rata de alimentación: 1,0 a 20 lb/h (9,07 kg/h). Tamaño del material: < malla 200 Las características de alimentación de biomasa [8]: Material: bagazo de caña de azúcar. Densidad: 102 g/lt. Rata de alimentación: 0,5 a 15 lb/h. Tamaño del material: fibras 0,8 de diámetro por 10mm de longitud. 2.3. Bagazo de caña.. En Colombia, líder mundial en producción de caña de azúcar, el bagazo es un desecho solido principalmente de la industria azucarera y panelera; en Colombia se produjeron aproximadamente 20’272.594 toneladas de bagazo para el año 2010; el 60% se utiliza como materia prima para la combustión de las hornillas azucareras y paneleras y el restante se utiliza para la enmienda de suelos y producción de papel[24]. De acuerdo a un estudio termogavimétrico (ver tabla 1) realizado en la Universidad de los Andes, en la referencia[12], se reporta que para el bagazo de caña, como consecuencia de un proceso de pirolisis que ocurre entre 500K y 700K, se liberan productos volátiles como CO, CO2, CH4, H2 y SO2[12]. 12.

(13) Tabla 1: Caracterización del bagazo de caña [12].. Bagazo de caña. 3. %C %H %O %N %S Ceniza %. 48.30 8.32 42.87 0.43 0.11 1.6. Humedad %. 50. Carbón fijo % Materia volátil % PCS (kJ/kg) PCSDAF (kJ/kg) Fórmula empírica. 16.3 82.9 20 500 23 214. OBJETIVOS. 3.1. ObjetivoGeneral.. Analizar la influencia de los parámetros operativos en la reducción de NO X y SOX y CO2en un proceso de reburn con bagazo de caña por medio de simulación computacional con un modelo tridimensional. 3.2. Objetivos Específicos. Modelación de los procesos de transporte de masa, transferencia de energía y momentumen el proceso de reburn en Ansys-Fluent. Modelación de las reacciones químicas de la fase de gaseosa del proceso. Verificación de los resultados obtenidos por el modelo utilizando resultados experimentales de estudios previos desarrollados. Análisis de la sensibilidad en el rendimiento del proceso, con respecto a parámetros operacionales del proceso.. 13.

(14) Determinar parámetros de funcionamiento adecuados del proceso de reburn estudiado, para obtener un alto rendimiento del proceso en la reducción de NOX y SOX y CO2.. 4. MODELAMIENTO MATEMATICO.. Los modelos computacionales utilizados para estudiar la combustión solucionan numéricamente las ecuaciones de transporte de masa, momentum, energía y especies en el dominio definido, con condiciones de borde dadas. La tabla 2 muestra dichas ecuaciones en condiciones de estado estacionario, como es el caso de la presente tesis de maestría. Tabla 2: Ecuaciones de conservación.. Conservación de masa. Transporte de especies. Conservación de momentum. Conservación de energía. En el sistema de ecuaciones anteriores tenemos como variables del sistema: Velocidad, presión, densidad, concentraciones de especies, temperatura, términos fuente en cada ecuación y en el caso específico de la ecuación de conservación de momentum el tensor de esfuerzos de Reynolds ( ) además de otras variables como viscosidad, difusividad y calor especifica de la mezcla. Para poder cerrar este sistema de ecuaciones en el que tenemos mas variables que ecuaciones, necesitamos implementar un modelo de 14.

(15) turbulencia, para modelar el tensor de esfuerzos de Reynolds y un modelo de combustión para modelar el termino fuente de las especies consideradas en el modelo, además también es necesario incluir una ecuación de estado que en este caso para modelar los procesos de combustión será la ecuación de gases ideales. Para modelar propiedades como calor especifico, difusividad, viscosidad de la mezcla entre otras, se usan otros médelos los cuales depende de la temperatura y la composición de la mezcla. Los modelos de combustión son en general el acople de un modelo de turbulencia con un modelo de química. 4.1. Modelos de Turbulencia.. Ecuaciones promediadas en al tiempo de Navier-Stokes. Primero se define una propiedad media del flujo como[9]:. La propiedad es dependiente del tiempo y se puede ver como componente media mas una componente fluctuante la media la fluctuación en el tiempo es cero[9]. Por ejemplo la componente velocidad en la dirección x, u está compuesta por su promedio U y fluctuación u’. La energía cinética por unidad de masa asociada a la turbulencia como[9]:. la de de su. se define. En donde: , , son las fluctuaciones de la velocidad en cada una de sus componentes.La intensidad turbulenta está ligada a la energía cinética y a la velocidad media de referencia del flujo como[9]:. Las ecuaciones promediadas de Navier-Stokes:. 15.

(16) Ecuación de conservación de masa:. Ecuación de conservación de momentum:. El último término se le denomina tensor de esfuerzos de Reynolds Para una cantidad escalar:. El tensor de esfuerzos de Reynolds es:. En la diagonal se tienen las varianzas de las fluctuaciones de la velocidad, mientras que los otros términos son momentos asociados a las correlaciones entre las componentes fluctuantes del campo de velocidad. Los modelos para la solución de las ecuaciones promediadas de NavierStokes se clasifican de acuerdo al número de ecuaciones extras usadas para cerrar el problema. 4.1.1. Modelo de longitud de mezcla.. Se basa en la presunción de que existe una analogía entre la acción de esfuerzos viscosos y el tensor de esfuerzos de Reynolds [9]. Se asume que la viscosidad cinemática turbulenta se puede expresar como el producto de la escala de velocidad turbulenta y la escala de longitud de mezcla , y por análisis dimensional[9]:. En un flujo simple en donde el único gradiente significativo de velocidad promedio es. , entonces[9]:. 16.

(17) Entonces:. Entonces en el tensor de esfuerzos de Reynols[9]:. Ventajas: requiere pocos recursos computacionales, es estable y es bueno para predicciones de capas delgadas de esfuerzos [9]. Desventajas: es incapaz de describir flujos con separación y con recirculaciones, solo calcula las propiedades medias del fluido y esfuerzos cortantes turbulentos, la longitud de mezcal de Prandtl no es fácil de determinar para flujos complejos [9]. 4.1.2. Modelo. La energía cinética instantánea. de un flujo, es la suma de la energía. cinética media. y la energía cinética turbulenta entonces:. [9].. Entonces para la. Con. es la disipación de energía cinética turbulenta cuyas. unidades son. y además es del mismo orden de magnitud que el. termino de producción y no es despreciable; de donde[9]: ,. ,. entonces. es la escala de velocidad y es la escala de longitud turbulenta. El modelo. utiliza dos ecuaciones una para [9]:. y otra para. 17.

(18) En donde[9]:. Con: ;. ;. ;. ;. Son necesarias condiciones de frontera para las nuevas variables introducidas: En las entradas se deben conocer las distribuciones de. y de [9].. En las entradas o los ejes de simetría los gradientes son cero[9]. En flujo libre. y. [9].. En las paredes la aproximación depende del número de Reynolds[9]. Ventajas: es el modelo mas simple de turbulencia solo se necesitan condiciones iniciales y/o de frontera, tiene un excelente desempeño en flujos industriales relevantes, es el modelo de turbulencia más validado[9]. Desventajas:Más costosos computacionalmente que el modelo de longitud de mezcla, su desempeño es pobre en algunos flujos como: algunos flujos sin fronteras, flujos rotacionales, flujos completamente desarrollados en tuberías no circulares[9].. 4.1.3. Modelo RNG. Utiliza las mismas ecuaciones de refinamientos [10]:. , pero incluye los siguientes. Incluye un termino adicional en la ecuación de que mejora al precisión para flujos rápidamente cortantes. Se incluye el efecto de remolino en la turbulencia. Se incluye una formula empírica para números de prandtl turbulentos. Es un modelo más adecuado y confiable para un númeromás amplio de flujos que el modelo estándar [10].. 18.

(19) 4.1.4. Modelo. realizable.. Utiliza las mismas ecuaciones de refinamientos[10]:. , pero incluye los siguientes. Contiene una nueva formulación para la viscosidad turbulenta. Incluye una ecuación para el transporte de la tasa de disipación turbulenta , derivado de una ecuación de exacta para el transporte del valor RMS de la fluctuación de la vorticidad. Este modelo satisface ciertas restricciones del tensor de esfuerzos de Reynolds, consistente con la física de los flujos turbulentos. El mayor beneficio es que predice con precisión la tasa de propagación de chorros planos y redondos, además de un desempeño superior para flujos que incluyen rotación, fronteras bajo fuertes gradientes de presión, separación y recirculación[10]. La limitación es que produce viscosidades turbulentas no físicas, en situaciones en donde el dominio computacional contiene zonas de fluido rotacional y estacionarios, porque el modelo incluye los efectos de la media de la rotación en la definición de la viscosidad turbulenta. Entonces es necesario tomar con precaución la aplicación de este modelo a marcos de referencia con múltiples sistemas de referencia[10]. El modelo de turbulencia aplicado en este estudio es el modelo realizable. 4.2 4.2.1. Modelos de Combustión. Modelo de combustión de Eddy-Breakup. En este modelo la rata de consumo de combustible se especifica como función de las propiedades locales, la rata de mezcla de la reacción se expresa en términos de la escala de tiempo turbulenta [9]. Tomando la reacción en términos generales:. La rata turbulenta de disipación de combustible ( productos ( ) se pueden expresar como[9]:. 19. ), oxigeno (. ) y.

(20) y son constantes propias del modelo. Se soluciona la ecuación de transporte para la fracción de masa de combustible, en donde la rata de reacción del combustible se toma como la menor de las ratas de disipación turbulenta del combustible, oxigeno o productos[9]:. En este modelo también se puede considerar los términos cinéticos que controlan la reacción, en donde la rata de consumo de combustible se puede expresar por la expresión de Arrhenius[9].. En donde es el coeficiente pre-exponencial, son constantes del modelo, enconces la rata de reacción de combustible es[9]:. es el termino fuente de consumo de combustible en la ecuación de conservación de especies (combustible). En este modelo la calidad de las predicciones depende del desempeño del modelo de turbulencia[9]. 4.2.2. Modelos de combustión en fluent.. En Fluent se encuentra la formulación de transporte de especies y rata finita de química; paraa un amplio rango de aplicaciones que incluye sistemas laminares o turbulentos, sistemas de combustión con llamas premezcladas o no premezcladas[10]. La ecuación de transporte de especies es:. En esta formulación las ratas de reacción que aparecen como termino fuente en la ecuación de transporte de especies se computa con[10]:. 20.

(21) Modelo de rata finita laminar: no tiene en cuenta las fluctuaciones por la turbulencia y las ratas de reacción se calculan usando la expresión de Arrhenius. Modelo de disipación de Eddy: se asume que las reacciones se controlan por la turbulencia y se desprecio Arrhenius. Modelo de concepto de disipación de Eddy: Se puede incorporar un modelo de cinética de reacción detallado, Arrhenius. Modelos de rata laminar/disipación de Eddy: este modelo es el modelo mas similar al modelo de Eddy breakup, en donde se computa las tasas de disipación turbulenta y la cinética de la reacción y se toma la menor de las tazas de disipación. 4.2.3. Modelo de disipación de Eddy.. La mayor parte de los combustibles se queman rápidamente y la rata general de reacción es controlada por la mezcla turbulenta. En las llamas no premezcladas, la turbulencia lentamente por convección transporta el combustible y el oxidante en la zona de reacción en donde se quema rápidamente. La rata de producción de la especie por la reacción es la menor de[10]:. O. Coeficiente estequiométrico del reactante en la reacción . Coeficiente estequiometrico del producto e la reacción . Constante empírica Constante empírica Las anteriores ecuaciones son función de Eddy-BreakUp[10].. como en el caso del modelo de. Los mecanismos químicos multipaso se basan en las ratas de Arrhenuis que son diferentes para cada reacción; en este modelo la rata de reacción es la 21.

(22) misma, entonces el modelo solo se debe aplicar a mecanismos de un solo paso o máximo dos pasos. El modelo no puede predecir radicales[10]. 4.2.4. Modelo de concepto de disipación de Eddy.. Es una extensión del modelo anterior para poder incluir mecanismos detallados de química en flujos turbulentos. Asume que la reacción ocurre en las escalas turbulentas finas. La fracción de longitud para las escalas se modelo como[10]:. Constante de fracción de volumen Es la viscosidad cinemática. Se supone que las especies reaccionan en estas escalas sobre una escala de tiempo[10]:. Constante de la escala de tiempo El termino fuente en la ecuación de conservación de las especies[10]:. es la fracción de masa de la especie después de reaccionar sobre el tiempo .La principal desventaja de este modelo es su muy elevado costo computacional. El modelo aplicado para las simulaciones en este estudio es el modelo de Eddy-Breakup incluyendo los términos de cinética de la reacción con la aplicación del modelo finite laminar rate- Eddy dissipation en fluent.. 5 5.1. CARACTERISTICAS DEL MODELOCOMPUTACIONAL. Geometría y dominio computacional. La geometría de la cámara de combustión que se va a modelar se muestra en las figuras 3 y 4:. 22.

(23) Entrada de Aire. Entrada de Carbon. 6 Ø48,2. Ø9 0. ,4 52. 32. 65. 100. 100. Ø1. 65. 32. 200. Entrada Bagazo. Figura 3: Detalle entrada de aire primario y de carbón.. Figura 4: Modelo en corte de la cámara de combustión [8].. 23.

(24) La zona de combustión primaria se ubica en la parte superior carrete tipo D, a continuación se ubican 3 carretes tipo A (ver figura 4 derecha) en los cuales se ubica la zona de Reburn, y en seguida se tienen 4 carretes tipo B y 1 carrete tipo C en los cuales se ubica la zona de quema de salida; en la parte inferior se ubica un codo el cual une la cámara de combustión con el ducto de escape al final del cual se ubica un ducto de atemperación[8]. Como características geométricas generales se tiene:  Longitud total del dominio 1,8m  Diámetro de la salida 152mm. El detalle de la entrada de combustible y aire primario se puede observar en la figura 3. La entrada de aire de OFA se ubica 1,7m desde la entrada de aire primario. Los ajustes de los parámetros de alimentación de biomasa y de aire seleccionados para realizar las pruebas se muestran en la siguiente tabla: Tabla 3: Parámetros de alimentación de combustibles y aire para el estudio experimental [8].. Prueba. Descripción. 1. 100% de carbón. 3,518. 0. Aire de Combustión (kg/h) 47. 2. 95% de carbón 5% de biomasa. 3,3421. 0,1759. 41,5. 4,1. 3. 90% de carbón 10% de biomasa. 3,1662. 0,3518. 40,2. 4. 4. 85% de carbón 15% de biomasa. 2,9903. 0,5277. 38,9. 3,9. 5.2. Carbón Biomasa (kg/h) (kg/h). Aire OFA (kg/h) 0. Características de la malla.. El enmallado del dominio computacional se realiza con una malla no estructurada-híbrida con pirámides y tetraedros, las pirámides se utilizan para. 24.

(25) el enmallado cerca a las paredes con refinamiento, mientras que la parte central del modelo se enmalla con tetraedros ver figura 7.. Figura 5: Detalle de la malla en la entrada de combustible y aire primario.. Velocidad (m/s). Para determinación del tamaño de la malla se realizó un estudio de convergencia con flujo frio, consiste en inyectar un flujo de aire para diferentes tamaños de malla, se evalúa la magnitud de la velocidad en un punto del dominio situado a 40cm desde la entrada de carbón sobre el eje de la cámara de combustión, la figura 8 muestra los resultados del estudio de convergencia. 1,43 1,42 1,41 1,4 1,39 1,38 1,37 1,36 1,35 1,34 1,33 1,32 5,00E+05. 1,00E+06. 1,50E+06. 2,00E+06. Tamaño de la Malla. Figura 6: Convergencia de la malla.. En la figura 8 se observa que después de elementos no hay variación en el resultado de la velocidad evaluada en el punto de estudio, se puede concluir que con este número de elementos se pueden obtener resultados independientes del tamaño de la malla.. 25.

(26) 5.3. Simplificaciones del modelo.. De acuerdo con algunos estudios computacionales consultados sobre la modelación de reburn, consideran que la devolatización de la partícula es instantánea[7]. Para determinar si en este modelo es aplicable la anterior simplificación, se realiza un estudio de respuesta térmica transitoria de la partícula. Si la temperatura de un sistema sujeto a una respuesta térmica transitoria es casi uniforme, se puede ignorar las pequeñas diferencias de temperatura dentro del sistema. En el caso de una partícula pequeña, la suposición de que la temperatura es uniforme se justifica si la resistencia térmica a la conducción es pequeña comparada con la resistencia externa por convección[11]:. Es el coeficiente de transferencia de calor por convección. Conductividad térmica del material solido. Longitud característica adecuada para el cuerpo solido por ejemplo . Para el caso de placas planas, cilindros o esferas garantiza que la temperatura en el centro no difiera de la temperatura en la superficie en más de 5%[11]. En el caso del bagazo de caña se tiene un cilindro con diámetro 0,8mm y longitud de 10mm. Para la partícula (10) y con cruzado[11]:. Entonces con. , y con difusividad térmica del bagazo (11), ; entonces para flujo. (10), 26.

(27) Ahora podemos verificar si la suposición del modelo de capacidad térmica global se puede aplicar:. Como ya se mostró la suposición del modelo de capacidad térmica global es aplicable a este caso, entonces la ecuación de energía para la partícula está dada por:. De la cual se puede encontrar el tiempo necesario para que la partícula pase de una temperatura inicial a una final, en este caso interesa saber el tiempo necesario para que la partícula se caliente desde la temperatura de entrada, se supone la ambiente (25 °C) a la temperatura de devolatilización total de la partícula (700 °K) con [14]; y la temperatura de la cámara de combustión es de 2000 °C.. Entonces el tiempo necesario para que se devolatilice la materia volátil del bagazo es de , es necesario recordar que la materia volátil del bagazo de caña es el 82,9%[12]. Entonces la simplificación que se puede hacer consiste inyectar los volátiles del bagazo en la entrada de reburn, lo cual simplifica el modelo computacional substancialmente, ya que de lo contrario sería necesario seguir la trayectoria de las partículas dentro del dominio. Esto implicaría el uso de un modelo Euler-Lagrange, el cual subiría considerablemente los costos del modelo Una vez realizado este análisis se proceda a estimar los volátiles del bagazo de caña.La fórmula empírica del bagazo de caña es[12]:. Poder calorífico con 50% de humedad[24]: 27.

(28) Los volátiles del bagazo de caña se estiman por medio de simulación en CEA de la NASA, en donde se encontró que los volátiles y sus fracciones molares son:. De manera similar a como se realizó para las partículas de bagazo, se puede concluir que las partículas de carbón también se devolatilizan en un tiempo muy corto. Los resultados del análisis último y próximo del carbón se muestran en la tabla 4: Tabla 4: Análisis próximo y último del carbón [8].. ceniza % Humedad % FC % VM % C% H% Analisis N% Ultimo O% S% Poder Calorifico (BTU/Lb) Analisis Proximo. 10,25 0,64 55,04 34,06 76,76 5,05 1,73 5,21 0,36 12745,8. A partir de los resultados mostrados en la tabla 4 se obtiene la formula empírica del carbón:. También se puede deducir la formula empírica de los volátiles del carbón:. Usando CEA se estiman la composición de los volátiles cuyas fracciones molares son:. 28.

(29) 5.4. Reacciones consideradas para el modelo.. Partiendo de la suposición realizada de que en las entradas de los combustibles se va a introducir las fracciones de molares de los volátiles de cada combustible (carbón y bagazo de caña); entonces las especies introducidas en forma gaseosa en cada entrada son: Entrada de carbón: ,. y. Entrada de Reburn: y. 5.4.1. Reacciones de combustión.. Las reacciones consideradas en la combustión con sus respectivos coeficientes de rata de reacción ( ) y ordenes de reacción con unidades en se muestran en la tabla 5. Tabla 5: Reacciones consideradas para la combustión [13] [15] [17] [23].. 5.4.2. Reacciones de formación y reducción de NOX.. El mecanismo extendido de Zeldovich de formación de térmico, consiste en tres reacciones en cadena Los coeficientes de rata de reacción son con unidades de [16] (ver tabla 6): Tabla 6: Reacciones para la formación de NO.. 29.

(30) El mecanismo de Zeldovich, predice adecuadamente las concentraciones de NO, pero ya que para hacer uso adecuado de este mecanismo es necesario incluir los radicales de y , además de las reacciones de formación de estos radicales,se decidió simplificar el modelo usando una reacción global para la formación de térmicocuyos resultados son adecuados de acuerdo con la referencia[18]:. La rata de formación de NO esta dada, de acuerdo a una correlación experimental como[18]:. Varios procesos de combustión emiten una cantidad significante de los como los mecanismos principales para la formación de antes de que los productos salgan a la atmosfera son[16]:. En donde. se forma por[16]:. Los son formados en zonas de relativamente bajas temperaturas, por tanto la formación de ocurre cuando el es trasportado a zonas ricas de . La destrucción de por las dos ultimas reacciones se activa a altas temperaturas, previniendo la formación de en zonas de alta temperatura[16]. Los caminos principales de reducción de son los que incluyen las reacciones con los radicales las reacciones para hallar las concentraciones de estos radicales son[10]:. 30.

(31) Y las principales reacciones de reducción de. por estos radicales son[10]:. Para reducir el costo computacional de modelo se plantea una reacción de reducción global de a partir de [13].. En donde[13]:. y. Además de los radicales de hidrocarburos mostrados, también existen mecanismos de reducción e producción y reducción de para las especies intermedias y. En donde[13]: De manera similar al camino de oxidación de de se puede escribir como[13]:. , el camino de reducción. En donde[13]: Si además de se tiene en cuenta similares para la oxidación y reducción de. En donde[13]: Y. En donde[13]:. 31. , se pueden obtener reacciones [13]..

(32) Modelamiento de las propiedades físicas de la mezcla.. 5.5 5.5.1. Densidad.. Para el cálculo de la densidad se usó la ley de gases ideales para flujos compresibles cuya ecuación es [10]:. En donde: es la presión manométrica (solucionada numéricamente). es la presión de operación. es la constante universal de los gases es el peso molecular del gas es la temperatura. 5.5.2. Viscosidad.. Como se está modelando un flujo que involucra más de una especie, se escoge el modelo de viscosidad dependiente de la composición, además como se esta usando la ley de gases ideales para la densidad, se usa le ley de gases ideales de la mezcla, en este caso la viscosidad está dada por[10]:. Donde:. es la fracción molar de la especie es la masa molar de la especie es la viscosidad de la especie. 32.

(33) 5.5.3. Conductividad térmica.. Dependiente de la composición, con la ley de gases ideales de mezclas, FLUENT calcula la conductividad térmica basada en la teoría cinética como[10]:. 5.5.4. Difusión.. Para el caso de la difusividad de masa, se adelantó un estudio en el cual para diferentes temperaturas se calculó la difusividad de cada especie en la mezcla y se observó el comportamiento y su variación.El coeficiente de difusividad para una especie en una mezcla de especies se calcula como[18]:. En donde: es la fracción de masa de la especie es el coeficiente de difusión binario de la especie. en la especie. En donde: es la temperatura en K. es la presión en bar. con. diámetro de partícula de la especie. en Angstrom[18].. es la masa molecular reducida para una especie binaria [18]. en. 33.

(34) Los valores de. y de. para diferentes especies se encuentran tabulados. en libros como en la referencia[18]. Los resultados obtenidos se muestran en la figura 7. Figura 7: Coeficientes de difusión para diferentes especies incluidas en el modelo.. Como se observa, las variaciones del coeficiente de difusión, de cada especie en la mezcla, son pequeñas, entonces se realiza un promedio del coeficiente de difusión con los resultados obtenidos para todas las especies y se fijó como valor constante de coeficiente de difusión 5.5.5. .. Calor especifico.. El calor específico se modela como dependiente de la composición, seleccionando la ley de mezcla, el cual se calcula como[18]:. 34.

(35) En donde: es el calor especifico de la especie . es la fracción de masa de la especie .. 6. RESULTADOS.. En los casos simulados en este estudio, la entrada total de combustible es de pero un porcentaje de esta alimentación es carbón y el restante es bagazo, de esta manera se tienen 4 configuraciones iniciales de simulación como se muestra en la tabla 7. En el primer caso se simuló solamente la combustión del carbón, es decir sin reburn, en los otros casos se tiene inyección de bagazo de caña como combustible de reburn a una distancia de 265mm desde la entrada de carbón, para cada caso se varía la alimentación de biomasa variando desde 15% hasta 30% de la entrada total de combustible. Tabla 7: Caos simulados.. Caso. Descripción. Carbón kg/h. Bagazo kg/h. 1. 100% Carbón. 3,518. 0. 2. 85%Carbón, 15% Bagazo. 2,99. 0,528. 3. 80%Carbón, 20% Bagazo. 2,81. 0,708. 4. 70%Carbón, 30% Bagazo. 2,46. 1,058. Los contornos de velocidad, temperatura y especies para el caso 1(100% de carbón) se muestran en la figura 8. Se observa que los contornos de temperatura y de fracción de masa de NO, muestran un comportamiento casi simétrico respecto al eje de la cámara de combustión.. 35.

(36) Figura 8: Contornos de velocidad, temperatura y fracciones de masa para para 100% carbón.. ,. ,. y. La figura 9 muestra los contornos de velocidad, temperatura y fracción de masa para el caso 2(85% de carbón). En este caso el contorno de fracción de masa de , no es simétrico ya que se tiene reducción del NO de los gases de combustión que se mezclan con el bagazo cerca al punto de 36.

(37) inyección de reburn, es claro que el chorro de los gases de combustión arrastra el chorro de inyección de reburn.. Figura 9: Contornos de velocidad, temperatura y fracciones de masa para para 85% carbón.. ,. ,. y. En la figura 10 se puede observar los contornos de velocidad, temperatura y fracciones de masa para el caso 3(80% de carbón), en este caso el perfil de 37.

(38) temperatura es similar al del caso anterior, aunque se nota un pequeño arrastre del chorro de los gases de combustión hacia el centro de la cámara de combustión. En el contorno de fracción de masa de NO es clara una mayor reducción de NO en comparación con el caso anterior.. Figura 10: Contornos de velocidad, temperatura y fracciones de masa para para 80% carbón.. 38. ,. ,. y.

(39) Figura 11: Contornos de velocidad, temperatura y fracciones de masa para para 70% carbón.. ,. ,. y. Los contornos de velocidad, temperatura y fracciones de masa de especies para el caso 4(70% de carbón) se ven en la figura 11, en este caso la reducción de NO es clara, se observa que el chorro de alimentación de biomasa tiene un alcance más amplio dentro del chorro de los gases de 39.

(40) combustión primaria mejorando el proceso de mezclado y alcanzando reducciones mayores en las emisiones de NO. La figura 12 muestra los perfiles de fracción de masa de NO a lo largo del eje de la cámara de combustión. En estos perfiles se muestra que la formación de NO inicia con la combustión del carbón y tiene un crecimiento fuerte en las primeras etapas de la cámara de combustión, para los casos de 85% y 80% de carbón, con la inyección de bagazo la fracción de masa se reduce de manera casi constante hasta llegar al punto de inyección de aire de sobrequemado en donde se muestra un incremento en la reducción del NO. En el caso de 70% de carbón se muestra una fuerte reducción del NO en la inyección del combustible de reburn, esto debido a que el proceso de mezclado es mejor y la cantidad de combustible de reburnes mayor.. Figura 12: Fracción de masa de NO a lo largo del eje de la cámara de combustión para los diferentes casos simulados.. La figura 13 muestra la fracción de masa promedio a la salida de la cámara de combustión para los diferentes casos, para el caso 1 la fracción de masa de NO en la salida es de , para el caso d2 la fracción de masa a la salida de la cámara de combustión es de lo que corresponde a una reducción del 26,6% en las emisiones de NO; para el caso 3 la fracción de masa de NO a la salida es de , es decir se tiene una reducción de las emisiones de NO del 35,5%; mientras que para el caso de 4 se 40.

(41) alcanza una reducción en las emisiones de NO del 68,84% que corresponde a una fracción de masa a la salida de , los porcentajes de reducción en las emisiones de NO están de acuerdo con lo reportados por la literatura [1], [2], [4].. Fracción de masa de NO. 0,0025 0,002. 0,0015 0,001 0,0005 0 0,00%. 5,00%. 10,00% 15,00% 20,00% 25,00% 30,00% 35,00% % Biomasa. Figura 13: Fracción de masa de NO promediada a la salida de la cámara de combustión.. Otro parámetro importante a tener en cuenta con la inyección del combustible de reburn, es que no se afecte la operación de la cámara de combustión, para esto vemos el comportamiento de la temperatura en la cámara de combustión.La figura 14 muestra en perfil de temperatura a lo largo del eje de la cámara de combustión para los casos simulados, se muestra claramente un aumento brusco en la temperatura, debido a la combustión del carbón en el momento de la mezcla con el aire, la temperatura alcanza un máximo de aproximadamente 1700K y después tiene una pequeña reducción y permanece casi constante por el resto de la longitud de la cámara de combustión. Para los casos con reburn se tiene una reducción de temperatura en la salida con respecto a la combustión de solo carbón de aproximadamente 200K, la temperatura de los gases de salida para los tres casos dereburn es muy similar aunque a mayor porcentaje de biomasa la reducción es un poco mayor.. 41.

(42) 2000 1800 1600. 1200 1000. 800. Temperatura (K). 1400. 600 400 200 0 -2. -1,8. -1,6. -1,4. -1,2. -1. -0,8. -0,6. -0,4. -0,2. 0. Longitud (m). 85% carbón 80% carbón 70% carbón 100% carbón. Figura 14: Perfil de temperatura a lo largo del eje de la cámara de combustión.. Temperatura (K). La figura 15 muestra la temperatura promedio ponderada en el volumen de la cámara de combustión para todos los casos simulados, se observa que para los casos de 15% de biomasa y 20% de biomasa la temperatura promedio de la cámara de combustión no se ve afectada, pero en el caso de 30% de inyección de biomasa, la reducción de esta temperatura empieza a ser considerable (aproximadamente 4%). 1205 1200 1195 1190 1185 1180 1175 1170 1165 1160 1155 1150 0,00%. 5,00%. 10,00% 15,00% 20,00% 25,00% 30,00% 35,00% % Biomasa. Figura 15: Temperatura promedio ponderada en el volumen para todos los casos.. 42.

(43) Los resultados anteriores mostraron el comportamiento del proceso de reburn para diferentes casos en los que se varia la cantidad de combustible de reburn inyectado, se mostró que con una inyección de 30% de combustible de reburn se alcanza una reducción del 69% en las emisiones de NO, pero con una reducción en la temperatura de operación de la cámara de combustión. Otro parámetro a evaluar es la posición del punto de inyección del bagazo, para esto se tomó como caso inicial el caso 4, y se probaron dos posiciones diferentes para la inyección del combustible de reburn, una a 20cm y la otra a 50cm desde la entrada de carbón. Los contornos de velocidad, temperatura y especies para estos dos casos se muestran en las figuras 16 y 17. Para el caso de inyección de combustible de reburn a 20 cm desde la entrada de carbón, es claro que el perfil de temperatura es similar al del caso con inicial con 30% de inyección de biomasa, pero los contornos de fracción de masa de NO muestran como la reducción del NO inicia desde el punto de inyección de bagazo modificando el perfil de NO e iniciando la reducción antes que el caso anterior. Cuando la inyección de bagazo se realiza a 50cm desde la entrada de carbón, la formación de NO es alta en la parte superior de la cámara de combustión, pero con la inyección de combustible de reburn se inicia la reducción del NO. La figura 18 muestra la fracción de masa a la salida de la cámara de combustión, es claro que al variar la posición del punto de inyección de combustible de reburn a lo largo de la cámara de combustión, la reducción de las emisiones de NO no se ve afectada de manera significativa.. 43.

(44) Figura 16: Contornos de velocidad, temperatura y fracciones de masa para , , para 70% carbón inyección de reburn a 20cm desde la entrada de carbón.. 44. y.

(45) Figura 17: Contornos de velocidad, temperatura y fracciones de masa para , , para 70% carbón inyección de reburn a 50cm desde la entrada de carbón.. 45. y.

(46) 0,0025. Fracción de masa de NO. 0,002. Without reburn. 0,0015. 0,001. 0,0005. 20 cm. 26,5 cm. 50 cm. 0 Figura 18: Fracción de masa de NO a la salida de la cámara de combustión para diferentes puntos de inyección de bagazo.. 6.1. Reducción de SO2. La reducción de SO2 se puede lograr por uno de los siguientes métodos [18]: Sistemas de desulfuración de los gases de chimenea. Cambiar a un carbón con menor contenido de sulfuros. Métodos de desulfuración del combustible. La desulfuración se logra por la adición de una fuente de partículas de calcio usualmente piedra caliza o dolomita para reducir el SO 2 a CaSO4, las variables más importantes que afectan la reducción de SO2 son [18]: La relación molar Ca/S. La temperatura de la cama. Tipo de absorbente. Tamaño de partícula del absorbente. La concentración de O2 en la cama. Cuando se agrega caliza pulverizada (CaCO3) en la cámara de combustión, la caliza se descompone en CaO que reacciona con el SO 2[18]:. 46.

(47) En este caso no se tiene adición de Ca, por consiguiente la reducción de las emisiones de SO2 se da por sustitución del carbón por biomasa. En la tabla 8 se muestra las fracciones de masa de SO2 a la salida de la cámara de combustión y el porcentaje de reducción para cada caso simulado. Tabla 8: Reducción de emisiones de SO2.. Caso. 6.2. 100% Carbón 85% Carbón 80% Carbón 70% Carbón. Fracción de masa SO2. 9,22E-04. 8,40E-04. 8,30E-04. 7,40E-04. % Reducción. 0,00%. 8,91%. 10,00%. 19,76%. CO2. La tabla 9 muestra las fracciones de masa de CO2 a la salida de la cámara de combustión, no es claro que exista una reducción de las emisiones de CO2, pero hay que resaltar que al sustituir parte del carbón por bagazo, se asume que el CO2, formado por la combustión de este, es neutro respecto a emisiones de gases de efecto invernadero ya que proviene de la combustión de una biomasa. Tabla 9: Fracciones de masa de CO2 a la salida de la cámara de combustión.. Caso 100% Carbón 85% Carbón 80% Carbón 70% Carbón Fracción de 0,2153 0,2109 0,2135 0,2101 masa CO2. 7. CONCLUSIONES.. Se implementó un modelo computacional de dinámica de fluidos para modelar el proceso de reburn, usando carbón como combustible primario y bagazo de caña de azúcar como combustible de reburn. El modelo consta de un solucionador probado y confiable de dinámica de fluidos, acoplado con un modelo simplificado de combustión. El modelo es capaz de simular la combustión del carbón y predecir la formación y reducción de NO. Un mecanismo simplificado de química fue simulado, el mecanismo es capaz de simular la combustión, formación y reducción del NO aunque las reacciones consideradas de pueden forzar al modelo a obtener altas reducciones de NO.. 47.

(48) De acuerdo con los resultados obtenidos se puede concluir que la reducción de NO depende de la composición de los volátiles del combustible de reburn y es altamente dependiente de la mezcla del combustible de reburn con los gases generados en la zona de combustión primaria. Los resultados obtenidos muestran que con una inyección de combustible de 70% de carbón y 30% de biomasa, se logra una alta reducción de las emisiones de NO, aunque con una pequeña reducción en la temperatura promedio en el volumen de la cámara y una alta reducción en la temperatura de salida de los gases de combustión. Basado en los resultados obtenidos se mostró que la posición de la inyección de reburn, a lo largo de la longitud de la cámara de combustión, no tiene una fuerte influencia en la reducción de las emisiones de NO. Finalmente se puede concluir que el bagazo de caña de azúcar cuyos volátiles contienen y trazas de puede ser un combustible de reburn efectivo para reducir las emisiones de NO en los procesos de combustión de carbón. Como trabajo futuro se recomienda: Realizar un modelo completo 3D de la cámara para incluir las últimas modificaciones realizadas a está.Realizar simulaciones variando el momentun de entrada de combustible de reburn y además variarla posición de entrada de aire de OFA para evaluar su efecto en la reducción del NO. Es importante incluir mecanismos de reacción más detallados como por ejemplo el mecanismo de Zeldovich y mecanismos para evaluar la formación y reducción de NO2. Es de gran importancia realizar un estudio experimental amplio para validar los resultados obtenidos por el modelo.. 48.

(49) 8 BIBLIOGRAFÍA [1] Corporation., Energy and Environmental Research, 1999. Reburning Technologies for the Control of Nitrogen Oxides Emissions from Coal-Fired Boilers. [2] Kuihua, H., 2010. “Experimental study on biomass advanced reburning”. Process Safety and Environmental Protection 88 425–430. [3] Ballester, J., 2008. “Experimental evaluation and detailed characterization of biomass reburning”. Biomass And Bioenergy 32 959 – 970. [4] Hampartsoumian E., 2003. “Optimisation of NOx reduction in advanced coal reburning systems and the effect of coal type”. Fuel 82 373–384. [5] Vitali V., 1999. “Biomass reburning – modeling/engineering studies”. Energy and Environmental Research Corporation, Quarterly Report No. 6 for Period January 1 – March 31. [6] Zarnescu V., 2001. “The Effect of Mixing Model and Mixing Characteristics on NOx Reduction during Reburning”. Energy & Fuels, 15, 363-371. [7] Vilas E., 2004. “Experimental and Modeling Study of Biomass Reburning”.Energy&Fuels, 18, 1442-1450. [8] Villate, M., 2012. “Implementación de un sistema de control de una cámara de combustión dual carbón-biomasa para evaluar emisiones de NOx bajo las tecnologías de Reburn y Cofiring”. Master’s thesis. Universidad de los Andes, Colombia. (In Spanish) [9] Versteeg H., 1995. “An introduction to computational fluid dynamics: The finite volume method”. Longman Group Limited. [10] ANSYS. Inc., 2009.ANSYS FLUENT 12.0/12.1 Documentation. [11] Mills, A. F., 1997. Heat Transfer.Prentice Hall. [12] Correa, C. and Gordillo G., 2012. “Sugar cane bagasse gasification using air-steam for partial oxidation and N2 as a carrier gas”.In ASME Tuboexpo. Copenhagen, Denmark. GT2012-69912. [13] Annamalai, K., 2002. “Co-firing Coal: Feedlot and Litter Biomass Fuels, Appendix A: A NOx Reduction Model for Reburn Process using Biomass Volatiles”. US Dept of Energy, National Energy Technology Laboratory, Quarterly Progress Report # 10. 49.

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