Modelización cinética y optimización de parámetros de combustión en calderas de biomasa.

Abstract

La inclusión de este grupo de investigación en las primeras fases del PSE ARFRISOL en el año 2004, permitió la incorporación del autor de este trabajo en 2008, con la finalidad principal de realizar un seguimiento y mejora, en la medida de lo posible, de la caldera de biomasa que en combinación con otras tecnologías renovables, suministraba la climatización (calefacción-refrigeración) en el edificio contenedor-demostrador de dicho proyecto, situado en San Pedro de Anes (Noreña, Asturias) y perteneciente a la Fundación Barredo. En este trabajo se realiza un seguimiento a la biomasa como materia prima destinada a la conversión energética mediante combustión, comenzando por un capítulo introductorio en el que se introducen de forma general conceptos clave en el mismo como biomasa y combustión, así como una pequeña revisión de tecnologías actuales de combustión. A continuación se realiza una completa base de datos de propiedades fundamentales para la combustión, como son el análisis elemental (composición en C, N, H, O y S), inmediato (composición en humedad, cenizas, materia volátil y carbono fijo) y calorimétrico (poder calorífico superior) de más de 200 combustibles biomásicos comerciales o potenciales. Esta base de datos fue publicada en el artículo García R, Pizarro C, Lavín AG, Bueno JL. 2012. Characterization of Spanish biomass wastes for energy use. Bioresource Technology. 103:249-258. Dicha base de datos se empleó para proponer relaciones empíricas entre los datos de PCS y análisis elemental e inmediato mediante el uso de procedimientos de ajuste matemático, que permiten una estimación bastante precisa de los valores de PCS reduciendo considerablemente el tiempo y coste experimental. En esta fase del trabajo se publicaron 2 artículos García R, Pizarro C, Lavín AG, Bueno JL. 2014. Spanish biofuels heating value estimation. Part I-Ultimate analysis data. Fuel. 117; 1130-1138 y García R, Pizarro C, Lavín AG, Bueno JL. 2014. Spanish biofuels heating value estimation. Part II-Proximate analysis data. Fuel. 117; 1139-1147. Para terminar con este primer bloque dedicado a la caracterización de combustibles, se propuso un método que permite realizar estimaciones de propiedades de análisis inmediato de combustibles empelando termogravimetría que continúa con la filosofía de ahorro temporal y económico planteado en el punto anterior. Este método se publicó en el artículo García R, Pizarro C, Lavín AG, Bueno JL. 2013. Biomass proximate analysis using thermogravimetry. Bioresource technology. 139; 1-4. Posteriormente se desarrolló otra fase en la caracterización de combustibles biomásicos, como es la determinación de propiedades físicas y se analizó su influencia en diversos factores de diseño de instalaciones, como son principalmente los sistemas de almacenamiento y trasporte y las implicaciones económicas que puede tener la elección del combustible adecuado. Este estudio fue publicado en el artículo García R, Pizarro C, Lavín AG, Bueno JL, Pis JJ. 2013. Influence of physical properties of solid biomass fuels on the design and cost of storage installations. Waste Management. 33; 1151-1157. Además se adjunta otro artículo publicado por este grupo en lengua castellana en el que se realiza una revisión de los sistemas de almacenamiento más empleados en instalaciones de conversión energética con biomasa (Pizarro C, García R, Lavín AG, Bueno JL. 2010. Almacenamiento de la biomasa. Ingeniería química. 481; 80-86). El siguiente paso consiste en el estudio de residuos de combustión, mediante su caracterización morfológica y composicional, empelando técnicas como SEM, EDX, FRX o TG, además del seguimiento de gases de combustión (CO/CO2 y NOx, principalmente). Los estudios composicionales mediante FRX se emplean, además, para calcular una serie de parámetros predictivos de deposición de cenizas en puntos calientes y fríos de la instalación (slagging y fouling). Este apartado se complementa con el artículo García Fernández R, Pizarro García C, Gutiérrez Lavín A, Bueno de las Heras JL. 2012. Study of main combustion characteristics for biomass fuels used in boilers. Fuel Processing Technology. 103, 16¿26. Posteriormente se presenta otro capítulo en el que se plantea una modelización fluidodinámica de una caldera piloto disponible por este grupo en los bajos de la facultad de químicas, realizada empleando software CDF (ANSYS-FLUENT) que supone un primer paso de cara a una modelización más completa y compleja del proceso de combustión global. Para este primer paso se requiere el conocimiento de una serie de parámetros cinéticos y experimentos previos de puesta a punto cuyos resultados se adjuntan en el trabajo. Finalmente se incluye un capítulo final en el que se resumen los resultados obtenidos en el seguimiento de la caldera de biomasa del edificio de San Pedro de Anes