Medida de la temperatura superficial de combustión de carbonizado mediante pirometría con cámara digital para estudiar el efecto del CO2 en su oxi-conversión en reactores de lecho fluido.

Abstract

A pesar del trabajo en oxi-combustión de partículas de carbón/carbonizado en reactores de lecho fluido, el efecto de cambiar la atmósfera de O2/N2 a O2/CO2, con una elevada concentración de O2, sobre el proceso de conversión no está totalmente claro. Ello se debe (i) a que la mayoría de los trabajos experimentales utilizaron concentraciones de O2 menores al 21 %v/v; (ii) a que algunas de las técnicas de medida de temperaturas empleadas, tales como los termopares, podría haber alterado la conversión; y (iii) a que la mayoría de los estudios teóricos asumen que la partícula de carbón/carbonizado está únicamente en la fase emulsión, obviando las observaciones experimentales que la sitúan tanto en la fase burbuja como en la zona splash (chapoteo) del lecho durante parte del tiempo de fluidización. Por lo tanto, el objetivo principal de esta Tesis es aclarar la oxi-combustión de partículas de carbonizado (varios milímetros) en lecho fluido con una elevada concentración de O2 en CO2. Para ello, se diseñó y construyó un reactor de lecho fluido de geometría bidimensional (escala laboratorio, 18 x 50 x 1.8 cm) equipado con una ventana de cuarzo (20 x 20 cm) que permitió realizar medidas ópticas. Además, se utilizó un segundo reactor de lecho fluido cilíndrico (escala laboratorio, 7 cm diámetro interno x 50 cm). En todos los tests, tanto de combustión (O2/N2) como de oxi-combustión (O2/CO2), se alimentó al reactor una única partícula de carbonizado, la cual en algunos ensayos tenía un termopar insertado. Las partículas de carbonizado utilizadas se generaron a partir de partículas irregulares de madera de haya, y carbón bituminoso y sub-bituminoso, cuyos tamaños y pesos se fijaron en función del test donde fueran a ser utilizados. Como gente de fluidización se utilizó mezclas de O2 y N2 u O2 y CO2, así como aire, con una concentración de O2 del 11, 21, 30, 40, y 50 %v/v. En el primero de los estudios se desarrolla un método de medida de temperaturas superficiales del carbonizado, que se aplica a la combustión en un reactor de lecho fluido. La técnica se basa en la captura e interpretación de la radiación térmica contenida en las bandas espectrales visibles roja, verde, y azul que hace una cámara digital (Pirometría con Cámara Digital). Se muestra que el uso secuencial de la radiación contenida en los tres colores mencionados mejora la precisión de la temperatura medida respecto el uso tradicional simultáneo. Además, el método permite medir temperaturas del carbonizado menores a las del fondo (limitación en el uso simultáneo de dos colores). En el segundo estudio se analiza el efecto del termopar sobre la combustión del carbonizado en lecho fluido, encontrando que el termopar altera el movimiento del carbonizado a través del lecho, variando el tiempo de residencia en cada una de las fases del lecho. En concreto el termopar aumenta el tiempo de la partícula en la fase burbuja por la mayor resistencia del conjunto termopar-partícula al arrastre de las partículas del lecho. Este aumento en el tiempo del carbonizado en las burbujas aumenta la temperatura de combustión, reduce el tiempo de consumo y hace que el consumo superficial no sea homogéneo (la rotación de la partícula está impedida). En el tercer trabajo se analiza el efecto del movimiento del carbonizado a través de las diferentes fases del lecho sobre su temperatura, mostrándose que la temperatura superficial de combustión varía decenas de grados en tan solo centésimas de segundos. Este movimiento es experimentalmente caracterizado y se implementa en el modelo teórico de combustión de una partícula de carbonizado en un lecho fluido. Las predicciones ajustan bastante bien las oscilaciones de temperatura y tiempos de consumos. En el último estudio se analiza la influencia del CO2 y O2 en la oxi-combustión de las partículas de carbonizado, concluyéndose que la oxi-combustión del carbonizado en un lecho fluido está controlada por la trasferencia de O2 desde el seno de la fase fluida hacia el carbonizado, y que el consumo por gasificación no es despreciable. Se encuentra que el consumo por gasificación del carbón compensa la menor difusividad del O2 en CO2 reduciendo las diferencias entre los consumos aparentes medios del carbonizado (g/m2s) en O2/CO2 y en O2/N2 para temperaturas del carbonizado menores a los 925 °C, y haciendo el consumo en O2/CO2 mayor para temperatura del carbonizado mayores a 925 °C. Finalmente, las temperaturas registradas en el carbonizado durante conversión en O2/CO2 son menores a las registradas en la atmósfera equivalente (igual concentración de O2) de O2/N2, registrándose las mayores diferencias cuando las partículas están en la fase burbuja o zona splash (capoteo) del lecho.

Despite all work carried out on coal/char oxy-combustion in fluidized bed (FB), the effect of changing the atmosphere from O2/N2 to O2/CO2 at high O2 concentration is not well understood yet. Most of the experimental work has been carried out with O2 concentration lower than 21 %v/v and some of the techniques used to measure the fuel particle temperature, such as thermocouples, could interfere with the conversion. Theoretical studies assume that the coal/char particle is always in the emulsion phase, although experimental observations confirm that the particle is also in the bubbles and splash zone. These different char particle’s location in the bed could involve oscillations in the char particle’s temperature during the oxy-combustion process. On the other hand, controlling and measuring the char particle's temperature is one of the main challenges, but neither thermocouples nor pyrometry with an optical probe are accurate enough to be used for that purpose. Addressing those questions, a bi-dimensional fluidized bed reactor (lab scale, 18 x 50 x 1.8 cm) was designed and constructed with a quartz window in its bottom for optical measurements. Moreover, another cylindrical fluidized bed reactor (lab scale, 7 (i.d) x 50 cm) was occasionally used. All tests carried out were single char particle combustion (O2/N2) or oxy-combustion (O2/CO2), most of them the particle was freely fluidized (without an embedded thermocouple). Char particles from three different fuels were used: Beech wood, and Sub-bituminous and Bituminous coal, whose sizes and weights were set as a function of the tests where they were going to be used. The fluidization flow was either a pre-heated mixture of O2 and N2 or O2 and CO2, where the O2 concentration could be 11, 21, 30, 40 and 50 %v/v. In the first study, a method is presented to measure the temperature of the char particle's surface during conversion in a FB using a digital camera. The method applies one-color pyrometry sequentially for the three spectral bands red, green and blue (instead of the widespread used two-color pyrometry), changing from one band to another automatically as a function of the radiation intensity received by the digital camera’s sensor. In the second study, the pyrometric measurement is used to analyze the impact of using an embedded thermocouple into a char particle in a FB, finding that the thermocouple increases the combustion temperature and involve a non-homogeneous surface carbon consumption. In the third study, it is experimentally measured oscillations in the char’s temperature of tens degrees in hundredths of second resulting from its movement through the different bed's phases. That char's movement is experimental characterized and implemented in a theoretical model of a single char particle conversion in a FB, predicting quite well the experimental oscillations of the temperature and the overall conversion process. In the last study, the pyrometric char temperatures and their predictions (from the theoretical approach presented previously) were used to clarify the influence of the CO2 concentration gas in a high O2 concentration atmosphere. The results showed that the transfer of O2 to the particle controls the overall rate of char conversion in O2/CO2 (as in O2/N2), being the carbon consumption by gasification significant even a relatively low char temperature (850 °C). This additional carbon consumption makes the apparent consumption rate in both atmosphere roughly equal (for the same O2 concentration), for temperature below 925 °C, and higher in O2/CO2 than in O2/N2 for char temperature above 925 °C. It is concluded that the difference in char conversion rate, observed in both atmospheres, is mainly controlled by the time in which the char particle is out of the emulsion phase. These results underline the importance of considering movement of the char particle through different phases of the bed to improve the understanding of oxy-fuel behavior in FB.