Modelación de la combustión y la co-combustión en calderas de carbón pulverizado.

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1 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

2 INTRODUCCIÓN 1 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 ( ). Sistema Interconectado del Norte Grande. (SING) Sistema Interconectado Central (SIC) Fuente : CNE

3 INTRODUCCION 2 El gobierno chileno ha implementado políticas para acelerar la incorporación de las ERNC y las energías renovables en nuestra matriz energética. Donde la cocombustión 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.

4 CASO DE ESTUDIO 3 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 Fotografía: Unidad 15. Tocopilla, Chile.

5 CASO DE ESTUDIO 4 Variable Op. / Nivel Quem. A B C D Adaro Hatillo Biomasa Flujo de Carbón ((ton/h) Flujo de Biomasa (ton/h) Aire Primario (ton(/h) Aire Secundario(ton/h) Aire Primario (K) Aire Secundario (K) Temperatura Pared(K) Emisividad de la Pared Presión de Salida (Pa) Análisis Próximo (Como recibido) Carbón Fijo (%) Materia Volátil (%) Humedad(%) Ceniza(%) Análisis Elemental (Base Seca) C (%) H (%) O (%) N (%) S (%) 34.0% 36.0% 28.0% 2.0% 72.7% 4.8% 21.4% 0.9% 0.2% 44.9% 35.3% 14.2% 5.6% 79.0% 5.4% 13.1% 1.7% 0.8% 11.5% 62.8% 25.4% 0.3% 48.9% 6% 44.99% 0.1% 0.01% Propiedades LHV (kj/kg) Densidad(kg/m 3 ) Factor de Disp. R-R Diám. Medio R-R (mm) / / / / Nivel de Quemadores A Biomasa + Carbón Pulverizado

6 MODELO MATEMÁTICO - CFD 5 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.

7 MODELO MATEMÁTICO - CFD 6 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.

8 Concentración [mg/nm3] Porcentaje (%) VALIDACIÓN DEL MODELO 7 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 O 2, CO 2 y SO 2. o Las concentraciones experimental y modeladas de CO, se encuentran cercanas a cero Difícil establecer un error relativo Experimental Model ,2 10 9,8 9,6 9,4 10 9,4 Experimental Model CO 0 SO2 9,2 9 8,8 8,6 8,4 CO2 9 9,1 O2

9 RESULTADOS 8 Operación 100% Carbón o La simulación revela para el caso de cocombustión, una disminución en las zonas de in-quemados comparado a la combustión de carbón. Caso Co-combustión 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.

10 RESULTADOS 9 Operación 100% carbón Tmean= 1476 [K] 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. Caso co-combustión Tmean = 1460 [K] 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 NO X térmico. o Una leve disminución en la temperatura media < 0,5%.

11 RESULTADOS 10 Operación 100% Carbón Vmean= 11,7 [m/s] 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, Caso Co-combustión Vmean = 11,3 [m/s] 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.

12 RESULTADOS 11 Operación 100% Carbón TImean= 15,8% o Existe un incremento del % en la intensidad turbulenta al incluir biomasa. Caso Co-combustión TImean = 20,1% 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. SAND

13 SO 2 Conc. per power unit (mg/nm3mwt) Mean Temperature (K) CO Conc. per power unit (mg/nm3mwt) Percentage of CO 2 (%) RESULTADOS 12 0,008 0,007 0,006 0,005 0,004 0,003 0,002 0,001 0,000 1,80 1,60 1,40 1,20 1,00 0,80 0,60 CO - Co-firing CO - Coal comb Axial Position (m) SO2 - Co-firing SO2 - Coal comb Axial Position (m) 10,0 9,0 8,0 7,0 6,0 5, %CO2 - Co-firing CO2 - Coal Comb Axial Position (m) T - Co-firing T - Coal Comb Axial Position (m)

14 RESULTADOS 13 Operación 100% Carbón RHFmean= 166,3 [MW] Caso Co-combustión RHFmean= 165,3 [MW] Operación 100% Carbón THFmean= 199,2 [MW] Caso Co-combustión THFmean= 198,1 [MW] Flujo de Calor por Radiación Flujo de Calor Total

15 CONCLUSIONES 14 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 O 2 y SO 2 del 5% y 1.1% respectivamente. Las concentraciones de CO se mantuvieron cercanas a 0. No obstante, la concentración de CO 2 (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.

16 Trabajos Futuros Grupos UDT-DIM-DIQ 15 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 cocombustión. 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.

17 Agradecimientos 16 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.

18 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.

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