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Desarrollo de un modelo semiempírico para lechos fluidos burbujeantes en condiciones de oxicombustión

Guedea Medrano, Isabel
Díez Pinilla, Luis Ignacio (dir.) ; Pallarés Ranz, Javier (dir.)

Universidad de Zaragoza, 2013

Abstract: En las últimas décadas, la centrales termoeléctricas de carbón se han visto afectadas progresivamente por exigencias cada vez más estrictas, que reducen los límites permitidos en las emisiones de partículas, SO2, NOx y CO2, causantes de la contaminación atmosférica, lluvia ácida y efecto invernadero. Especialmente, el peligro del calentamiento de la tierra ha supuesto un nuevo reto en el desarrollo de nuevas técnicas que reduzcan las emisiones de CO2 y en su implantación. Entre ellas, destacan las nuevas técnicas de captura y almacenamiento de CO2, que se encuentran en fase de desarrollo y por el momento suponen una disminución considerable en la eficiencia (10-15 %) de las centrales. Por esta razón, un estudio detallado de cualquier proceso para mitigar las emisiones de CO2 que pueda ser aplicado eficientemente en una planta real, supone una de las prioridades del sector energético actualmente, siendo la oxicombustión, una de las tecnologías más prometedoras. En este sentido, el objetivo central de esta tesis es desarrollar un modelo que prediga la combustión bajo diversas condiciones de oxicombustión en una planta piloto de lecho fluido para poder caracterizar el comportamiento de diferentes combustibles en el reactor. La validación del modelo se lleva a cabo en la planta piloto de CIRCE, la cual ha sido diseñada, puesta en marcha y operada durante los últimos cuatros años gracias al apoyo de diversos proyectos públicos y privados. El punto de partida del trabajo desarrollado es la caracterización de la fluidodinámica de un lecho fluido con mezclas de O2/CO2, para investigar la influencia de las nuevas atmósferas. Posteriormente, se analizan los diferentes etapas de la conversión del combustible y, por último, se acoplan ambas partes para obtener un modelo completo. En la fluidodinámica se estudian los parámetros fundamentales de la misma y se desarrolla un modelo unidimensional basado en la teoría de las dos fases. Se realizan pruebas en frío y con combustión. Se analiza en primer lugar la velocidad de mínima fluidización y la idoneidad de su cálculo con las correlaciones típicas de la literatura. Posteriormente, se estudia la porosidad, que resulta mayor conforme más alta es la densidad de los gases. Por último, se detecta durante las pruebas que las burbujas cambian ligeramente con los gases de O2/CO2, por las propias propiedades de los gases, que producen burbujas más pequeñas y promueven una relación de pérdida de carga entre el lecho y el distribuidor mayor. Para poder modelar adecuadamente el tamaño de burbuja en condiciones de oxicombustión, se modifica un factor de la correlación que define el diámetro máximo que puede alcanzar la burbuja en el interior del lecho. En el siguiente capítulo se plantea una revisión de los modelos de conversión de partícula, donde se incluyen los procesos de secado, devolatilización, combustión de los volátiles y conversión del ¿char¿. A pesar de tener pocos datos de la estructura interna de los carbones, se intenta abordar con detalle la combustión de las partículas para poder analizar la influencia en la difusión de los nuevos gases y la transferencia de calor durante el proceso. Junto a las reacciones típicas de oxidación del ¿char¿ se incorporan, al tener altas concentraciones de CO2 y H2O en el ambiente, las reacciones de gasificación. El modelo se adapta a un horno termogravimétrico donde se hacen experimentos para seis carbones, de los cuales tres de ellos son utilizados en la planta piloto de esta tesis. Estos experimentos permiten validar el modelo, obtener los parámetros cinéticos de la devolatilización y la conversión del ¿char¿ en atmósferas de aire y oxicombustión. Por último, se realiza la integración de ambas partes incluyendo el balance de energía en el reactor; se presentan los datos más relevantes de la planta piloto, su validación y un breve análisis teórico, gracias al cual se pueden estudiar aspectos que no se miden experimentalmente como el régimen de conversión de cada combustible, la fragmentación de las partículas o su temperatura durante la conversión.

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