modelación de la combustión y la co-combustión en … · y el 20% de la potencia generada por la...
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Modelación de la combustión y la co-combustión en
calderas de carbón pulverizado.
Pérez R.1, Cornejo P.2, Flores M.3, Gordon A.1, García X.1
(1). Departamento de Ingeniería Química. Universidad de Concepción.
(2). Departamento de Ingeniería Mecánica. Universidad de Concepción.
(3). Unidad de Desarrollo Tecnológico – UDT. Universidad de Concepción
INTRODUCCIÓN
• La generación eléctrica es el motor indispensable y la base para el desarrollo
económico-sustentable de un país.
• Chile es un país altamente expuesto en materia energética y por ende debe
asumir futuros desafíos que permitan contar con recursos energéticos suficientes
y competitivos para sostener su crecimiento económico-social, basado en el
desarrollo de energías limpias, renovables convencionales y no convencionales
(ERNC) Informe “Estrategia Nacional de Energía (2012-2030).
Sistema Interconectado del Norte Grande.
(SING)
Sistema Interconectado Central
(SIC) Fuente : CNE
1
INTRODUCCION
• El gobierno chileno ha implementado políticas para acelerar la incorporación de
las ERNC y las energías renovables en nuestra matriz energética. Donde la co-
combustión de carbón con biomasa, se presenta como una alternativa viable y
prometedora para que centrales térmicas existentes cumplan con las nuevas
normativas.
• Esta tecnología consiste en la sustitución de una fracción del carbón utilizado en
el proceso de generación por biomasa.
• La experiencia internacional revela que es posible realizar reemplazos entre un 5
y el 20% de la potencia generada por la caldera.
• Dado que las centrales a carbón poseen geometrías diferentes y condiciones de
operación, es difícil conocer el comportamiento del proceso de combustión de
carbón. Justifica el desarrollo de modelos fluido-dinámicos para determinar el
efecto de incorporar biomasa al proceso de combustión del carbón.
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CASO DE ESTUDIO
Fotografía: Unidad 15 . Tocopilla, Chile.
¿Cuáles son los efectos que se producen por la inclusión
de biomasa en la Unidad 15 de Tocopilla?
o Tipo : Carbón Pulverizado
o Ubicación : Tocopilla, Chile.
o Propietario : E-CL, GDF-Suez
o Potencia : 150 MWe
o N° Quemadores : 4 / nivel
o N° Niveles : 4
o Combustible Primario: Nivel Quem.
o Carbón Adaro : Niveles B & C
o Carbón Hatillo : Niveles A & D
o Combustible Secundario :
o Chips de Pino : Nivel A
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CASO DE ESTUDIO
Adaro Hatillo Biomasa
Análisis Próximo (Como recibido)
Carbón Fijo (%) Materia Volátil (%) Humedad(%) Ceniza(%)
34.0% 36.0% 28.0% 2.0%
44.9% 35.3% 14.2% 5.6%
11.5% 62.8% 25.4% 0.3%
Análisis Elemental (Base Seca)
C (%) H (%) O (%) N (%) S (%)
72.7% 4.8%
21.4% 0.9% 0.2%
79.0% 5.4%
13.1% 1.7% 0.8%
48.9% 6%
44.99% 0.1%
0.01%
Propiedades
LHV (kJ/kg) Densidad(kg/m3) Factor de Disp. R-R Diám. Medio R-R (mm)
20524 972
0.68 / 1.42 0.09 / 0.15
25623 972
1.09 /1.01 0.11 / 0.09
11190
1.09 0.11
Variable Op. / Nivel Quem. A B C D
Flujo de Carbón ((ton/h) Flujo de Biomasa (ton/h) Aire Primario (ton(/h) Aire Secundario(ton/h)
11.6 2.9 24
96.3
14.5 0
27 96.3
14.3 0
24 96.3
14.5 0
25 96.3
Aire Primario (K) Aire Secundario (K) Temperatura Pared(K) Emisividad de la Pared Presión de Salida (Pa)
611 841 373 0.85 -3056
Nivel de Quemadores A– Biomasa +
Carbón Pulverizado
4
MODELO MATEMÁTICO - CFD
o Interacción Gas-Solido : Euler - Lagrane
o Fase Gas : Reynolds Averange Navier-Stokes (RANS)
o Modelo de Turbulencia : k-epsilon
o Dist. Tam. de Partículas: Rosin-Rammler distribution.
o Model Desvolatilización: two-competing rates.
o Combustión Heterogenea: kinetic/diffussion limited
model.
o Modelo de Radiación : Discrete Ordinates
o Coef. Absorción Weighted sum of gray gases
model.
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MODELO MATEMÁTICO - CFD
o Interacción Gas-Solido : Euler - Lagrane
o Fase Gas : Reynolds Averange Navier-Stokes (RANS)
o Modelo de Turbulencia : k-epsilon
o Dist. Tam. de Partículas: Rosin-Rammler distribution.
o Model Desvolatilización: two-competing rates.
o Combustión Heterogenea: kinetic/diffussion limited
model.
o Modelo de Radiación : Discrete Ordinates
o Coef. Absorción Weighted sum of gray gases
model.
6
VALIDACIÓN DEL MODELO
o El modelo fue validado al comparar las concentraciones simuladas
con información experimental disponible para la operación con
carbón.
o Los errores se encuentran cerca del 1%, 6% y 9% para las
concentraciones de O2, CO2 y SO2.
o Las concentraciones experimental y modeladas de CO, se
encuentran cercanas a cero Difícil establecer un error relativo.
10
9
9,4
9,1
CO2 O2
8,4
8,6
8,8
9
9,2
9,4
9,6
9,8
10
10,2
Po
rcen
taje
(%
)
Experimental
Model
20
550
0
599
CO SO2
0
100
200
300
400
500
600
700
Co
nce
ntr
aci
ón
[m
g/N
m3
]
Experimental
Model
7
RESULTADOS
o La simulación revela para el caso de co-
combustión, una disminución en las zonas de
in-quemados comparado a la combustión de
carbón.
o La mayor reactividad de la biomasa que el
carbón, permitiría que las partículas de biomasa
combustionen mas rápido que las de carbón y
colaborarían en la ignición de las partículas de
carbón.
Caso Co-combustión
Operación 100% Carbón
8
RESULTADOS
o El menor poder calorífico de la biomasa que el
carbón, genera zonas de menor temperaturas
que las obtenidas para la operación normal con
carbón.
o La máxima temperatura alcanzada es de 1820
[K] para la combustión de carbón y de 1710 [K]
para co-combustión con chips de pino,
conllevando a una disminución en loa formación
de NOX térmico.
o Una leve disminución en la temperatura media
< 0,5%.
Caso co-combustión
Tmean = 1460 [K]
Operación 100% carbón
Tmean= 1476 [K]
9
RESULTADOS
o El campo de velocidad no es grandemente
afectado por la inclusión de biomasa en el
proceso de combustión de carbón,
considerando que la llama se mantiene lo
suficientemente alejado de las paredes,
o Para el caso de co-combustión con chips de
pino, se observa una reducción de la velocidad
media de los gases de combustión en el nivel A
de quemadores cercano al 3%, asociado a la
rápida combustión de las partículas de biomasa
próximo a la salida del quemador Aumento
en el vórtice de llama.
Caso Co-combustión
Vmean = 11,3 [m/s]
Operación 100% Carbón
Vmean= 11,7 [m/s]
10
RESULTADOS
o Existe un incremento del % en la intensidad
turbulenta al incluir biomasa.
o Los valores obtenidos de Intensidad Turbulenta
concuerdan con los valores reportados por Baxter
et al para la combustión de carbón (10% típico,
30% máximo).
o La distribución tangencial de los quemadores
generan altos niveles de turbulencia, con el fin de
optimizar la mezcla aire-combustible y mejorar la
eficiencia de la combustión..
Baxter L. “Ash deposit formation and deposit properties – A comprehensive
Summary of Reasearch conducted at Sandia’s Combustion Research
Facility”. Sandia Report. SAND2000-8253.
Caso Co-combustión
TImean = 20,1%
Operación 100% Carbón
TImean= 15,8%
11
RESULTADOS
0,000
0,001
0,002
0,003
0,004
0,005
0,006
0,007
0,008
0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40
CO
C
on
c. p
er p
ow
er u
nit
(mg/N
m3M
WT
)
Axial Position (m)
CO - Co-firing
CO - Coal comb.
0,60
0,80
1,00
1,20
1,40
1,60
1,80
0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40
SO
2 C
on
c. p
er p
ow
er u
nit
(mg
/Nm
3M
WT
)
Axial Position (m)
SO2 - Co-firing
SO2 - Coal comb.
5,0
6,0
7,0
8,0
9,0
10,0
0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40
Per
cen
tage o
f C
O2 (
%)
Axial Position (m)
%CO2 - Co-firing
CO2 - Coal Comb.
600
800
1000
1200
1400
1600
0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40
Mea
n T
emp
era
ture
(K
)
Axial Position (m)
T - Co-firing
T - Coal Comb.
12
RESULTADOS
Caso Co-combustión
RHFmean= 165,3 [MW] Operación 100% Carbón
RHFmean= 166,3 [MW]
Caso Co-combustión
THFmean= 198,1 [MW]
Operación 100% Carbón
THFmean= 199,2 [MW]
Flujo de Calor Total Flujo de Calor por Radiación
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CONCLUSIONES
o Se ha desarrollado y validado un modelo de combustión a carbón, a partir
de mediciones de gases de combustión, obteniendo predicciones de
emisión con un bajo error relativo.
o El efecto de producir un reemplazo del 5% másico de carbón por biomasa
en nivel A, produciría una disminución en las concentraciones de O2 y SO2
del 5% y 1.1% respectivamente. Las concentraciones de CO se
mantuvieron cercanas a 0. No obstante, la concentración de CO2 (9.4%) se
mantuvieron cercanas a la condición de referencias. Mientras que para la
temperatura media de los productos de combustión disminuyó en un 2%.
o Se verificó el efecto sinérgico producido por la inclusión de biomasa en el
proceso de combustión de carbón, presentando una disminución nivel de
emisión de gases contaminantes, sin afectar grandemente la vorticidad, el
tiempo de residencia de las partículas de combustibles, los flujos de calor
radiativo y convectivo, así como la temperatura de los gases de
combustión.
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Trabajos Futuros – Grupos UDT-DIM-DIQ
o Combustión de carbón pulverizado
o Estudiar el efecto de incorporar biomasa en otros
niveles de quemadores y otros tipos de biomasas.
o Se espera proveer de información a la central para
el desarrollo de experiencias de co-combustión a
escala industrial.
o Combustión en lecho fluidizado
o Desarrollar experiencias de co-combustión con
diferentes tipos de biomasas en un reactor piloto de co-
combustión.
o Estudiar y modelar la co-combustión con formación de
depósitos.
o Reconocer Modelos Ajustar Parámetros.
o Futuro: Modelación centrales de lecho fluidizado a
escala industrial.
15
Agradecimientos
o A la empresa E-CL y sus trabajadores, por su apoyo en el
desarrollo de este trabajo y de mi tesis doctoral.
o Proyecto FONDEF D09I1173 por su apoyo financiero.
o CONICYT por mi beca doctoral.
o Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de
Concepción, por el uso de sus instalaciones computacionales.
o A la Unidad de Desarrollo Tecnológico por su apoyo financiero,
guía y en el desarrollo experimental de mi tesis.
o Departamento de Ingeniería Química por darme la oportunidad
de desarrollar mis estudios de doctorado.
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Modelación de la combustión y la co-combustión en
calderas de carbón pulverizado.
Gracias por su atención
Dr (c). Ing. Rubén A. Pérez J.
Antofagasta, Chile.