Modelado y simulación cfd de mecanismos de ensuciamiento y deposición de partículas en combustión de biomasa

Resumen

En la actualidad, la sociedad está cada vez más concienciada de la inviabilidad de sustentar todo su desarrollo en modelo energéticos basados en energías fósiles. En las últimas décadas, diversos programas y directivas han fomentado la transición hacia energías renovables. Esta transición no es sencilla, se necesitan cambios sustanciales en todos los sectores, desde los modelos industriales hasta la sociedad en sí misma. La biomasa se presenta como la energía renovable más viable a corto plazo por varios motivos. Es la única energía renovable con contenido en carbono, lo que la aproxima a los combustibles fósiles. Entre sus ventajas se encuentran la similitud en las cadenas de suministro e incluso de gran parte de los sistemas de combustión, reduciendo la inversión necesaria para su empleo. De hecho, se presenta a menudo como el combustible clave para la transición energética. Sin embargo, su empleo entraña grandes retos que deben ser solventados para acelerar su implantación. En la combustión de biomasa se dan grandes emisiones de materia particulada, especialmente en granulometrías finas, que contaminan el aire y el suelo del entorno cercano, pudiendo desencadenar en enfermedades cardiovasculares. Dentro del sistema, los compuestos presentes en la ceniza pueden resultar perjudiciales para el propio sistema, dando lugar al rápido crecimiento de depósitos y sinterizados, los cuales empeoran su rendimiento y pueden derivar en graves problemas de corrosión. Al igual que ocurre con los combustibles fósiles donde existen diferentes calidades, especialmente en el carbón, sucede con la biomasa. Esta energía renovable cuenta con una enorme heterogeneidad que se deriva de la propia definición realizada por la Directiva 2009/28/CE del Parlamento Europeo y del Consejo de 23 de abril de 2009 relativa al fomento del uso de energía procedente de fuentes renovables [1]: “la fracción biodegradable de los productos, desechos y residuos de origen biológico procedentes de actividades agrarias (incluidas las sustancias de origen vegetal y de origen animal), de la silvicultura y de las industrias conexas, incluidas la pesca y la acuicultura, así como la fracción biodegradable de los residuos industriales y municipales”. Dependiendo de su origen, el combustible variará pues en sus propiedades físicas, térmicas y químicas. El autoconsumo en la industria de sus propios residuos para aprovechamiento energético es cada vez más habitual, pues puede aportar grandes beneficios a través de ahorro en energía y en costes de retirada de residuos. La sociedad también genera gran cantidad de biomasa en forma de residuo sólido urbano y residuos agrícolas que pueden ser aprovechados energéticamente. Es en este tipo de biomasas donde se puede obtener el mayor beneficio. Este tipo de biomasas son de baja calidad, pues presentan altos contenidos de cenizas y bajos poderes caloríficos. A su vez estas cenizas son ricas en álcalis, cloro y azufre, por lo que agravan los fenómenos de deposición y corrosión dentro del sistema. Este trabajo busca contribuir al despliegue de los sistemas de combustión de biomasa de forma más factible y eficaz. Para ello, a lo largo del tomo se abordarán los aspectos que se mencionan a continuación. Se realizará un profundo estado del arte en búsqueda de todos los mecanismos involucrados en la creación de estos depósitos de materia no deseada. Para cada uno de ellos se evaluará su relevancia en sistemas de combustión de biomasa y su nivel de incertidumbre al analizar los datos experimentales que se obtengan bien de la bibliografía como de ensayos experimentales en las instalaciones de la Universidad. Aquellos mecanismos relevantes en esta aplicación y cuyos efectos sobre la deposición resultan claros serán modelados numéricamente a través de diferentes aproximaciones. Aunque este trabajo se enfoque primordialmente en las superficies susceptibles de deposición de materia no deseada que han sido objeto de estudio experimental, requiere del adecuado modelado de la fase gaseosa a lo largo del sistema, y por tanto de la combustión en sí. Aunque no se trata del objetivo principal de este trabajo, el primer paso es lograr una representación adecuada de la combustión, para lo cual será fundamental investigar en la interacción entre la turbulencia y la química en las regiones cercanas al lecho donde el campo gaseoso se ve alterado por su presencia. Se propondrá una modificación del modelado matemático existente en la bibliografía basada para este trabajo en datos experimentales. No obstante, se propondrá también una línea de desarrollo futuro que implique la variabilidad espacio-temporal de la morfología y composición del lecho. Una vez representada adecuadamente la combustión y, con ella, la evolución de la temperatura del gas de combustión, su velocidad y la concentración de especies gaseosas, se procederá al modelado de los fenómenos de ensuciamiento en combustión de biomasa, objetivo principal de esta tesis. Para ello, con la información recabada del estado del arte se procederá a la creación de un modelo de ensuciamiento en un marco Lagrangiano, el cual aportará no solo la tasa de deposición de materia no deseada, sino también una estimación del perfil del depósito. Este modelo se validará contra los datos experimentales obtenidos en la planta piloto del Grupo de Tecnología Energética, GTE #1, para un amplio abanico de puntos de operación, logrando resultados adecuados. Con estos resultados adecuados, se avanza hacia la creación de un modelo de ensuciamiento válido para sistemas de combustión de biomasa comerciales. En éstos, los fenómenos inducidos en el lecho por el sistema de alimentación requieren de adaptaciones del algoritmo general, el cual también se optimiza para un menor coste computacional. Para su validación, se escogen dos sistemas muy distintos a la planta piloto GTE #1 empleada hasta ahora, lo que reforzará la validación del modelo de ensuciamiento. En ellos, los resultados obtenidos muestran gran coherencia con los datos experimentales. El desarrollo del modelo continúa con el estudio del efecto que tiene esta materia depositada sobre las superficies de trabajo de los sistemas. El efecto directo es la reducción de la transmisión de calor al circuito del agua. Para ello se modelará e implementará la conductividad térmica del depósito en función de su espesor, porosidad y nivel de sinterizado. Para obtener unos resultados más completos se realiza la simulación de la nueva caldera del grupo con este modelo, la cual se modelará con la camisa de agua incluida, suponiendo un importante coste computacional. Mientras esta simulación es ejecutada, se realiza un estudio de las fortalezas y debilidades del modelo de ensuciamiento empleado hasta el momento. La principal debilidad está en el descenso en rendimiento computacional en entornos altamente paralelos. Tras analizar las tendencias actuales en el desarrollo de la arquitectura de procesadores y el auge de los cálculos en la nube, donde emplean entornos altamente paralelos, se decide crear un nuevo modelo completamente Euleriano. Esta aproximación trabaja de forma mucho más favorable que la Lagrangiana en este tipo de entornos. Para su desarrollo será necesario migrar todo el código de combustión Euleriano a un entorno multifásico, de forma que puedan realizarse el cálculo simultaneo de varias fases Eulerianas. Tras su migración, se validan sus resultados y se migra la formulación Lagrangiana del modelo de ensuciamiento a una formulación Euleriana. Los resultados del nuevo modelo totalmente Euleriano son comparados con el anterior modelo Euler-Lagrange y con los resultados experimentales. Su rendimiento computacional también es analizado. Durante la realización de este trabajo se estableció un objetivo secundario, la creación de una plataforma de colaboración internacional. Para ello, primero se creó un único modelo de combustión de biomasa en lecho fijo independiente del sistema de alimentación. Después, se procedió al diseño de una potente interfaz gráfica de usuario embebida en el software que simplifica el aprendizaje y el empleo de este modelo de combustión por expertos externos. De esta forma, el modelo es accesible por aquellos expertos que deseen emplear el modelo y aportar su experiencia en el modelado de fenómenos particulares de la combustión sin la necesidad de comprender al detalle todo el modelo. Esta plataforma de colaboración ha sido probada y puesta a punto gracias a la colaboración con diversos centros de prestigio de Europa y América, las cuales han sido importantes para el desarrollo de este trabajo. Finalmente, se mostrarán numerosas líneas futuras de desarrollo englobadas en tres campos: el modelado de lecho, el modelado de la deposición y la implementación de ambos mediante las nuevas tecnologías. Se espera que estas líneas puedan ser abordadas en el futuro próximo y, así, seguir contribuyendo a la expansión de la biomasa y, con ello, la expansión de las energías renovables a corto y medio plazo.