Estudio y simulación de la combustión de un gas de síntesis procedente de la gasificación de biomasa

Abstract

La combustión se encuentra presente en todo proceso industrial donde se necesita la generación de calor, como puede ser en la metalurgía, industria química o generación de energía eléctrica. Debido a la necesidad de reducir las emisiones de gases de efecto invernadero y el uso de recursos renovables que aseguren la continuidad de los procesos, se busca sustituir a los combustibles tradicionales, como el carbón, derivados del petróleo y el gas natural, por otros más limpios y sostenibles. El uso de combustibles alternativos como la biomasa o residuos urbanos reducen el impacto de la actividad humana en el medio ambiente. Además de la combustión directa del combustible sólido, este se puede transformar en un gas mediante gasificación, lo que permite aprovecharlo de una manera más eficiente y limpia. Mediante el proceso de gasificación de la biomasa con aire se obtiene un gas de síntesis de poder calorífico mucho menor que otros combustibles gaseosos, por lo que su combustión requiere un diseño especial del quemador. En este trabajo se busca estudiar el proceso de la combustión del gas producido en la gasificación de biomasa con aire, asi como los equipos principales utilizados para asegurar el correcto desarrollo de la llama. En primer lugar, se revisan las distintas tecnologías que existen para la gasificación de biomasa. Posteriormente, mediante simulación CFD, se compara la combustión del gas natural con la de un gas de síntesis procedente de la gasificación de madera con aire en un reactor de lecho fluido burbujeante. Se estudian dos casos: (i) para un mismo caudal de combustible inyectado, y (ii) para la misma potencia calorífica generada en el quemador. El estudio se lleva a cabo utilizando el modelo RANS (Reynolds Averaged Navier-Stokes) con un método k-e . Se estudian las diferencias en la dinámica de la llama y desarrollo de la combustión (campo de temperaturas, campo de velocidades, evolución de las fracciones másicas, etc.). A partir de esta comparación se predice el desempeño de un quemador diseñado para la quema de gas natural usado con un gas de gasificación de biomasa.

Fuel combustion is presented in many industrial processes where heat is demanded, like metallurgy, chemical industry or power generation utilities. Due to the necessity of reducing greenhouse gas emissions and the use of renewable resources, substitution of fossil fuels, like carbon, petroleum derivatives and natural gas by cleaner and sustainable fuel is required. The use of alternative fuels like biomass and waste reduces the environmental impact of human activities. Gasification of biomass allows the production of a low calorific gas that can be easily burned compared to the original solid fuel, reducing the pollutant emissions and increasing the combustion efficiency. In this project the combustion of natural gas and a gas produced by biomass gasification (the gasification of wood pellets in a bubbling fluidized bed BFB is taken as reference) is studied by CFD simulations. Two different cases are considered: (i) equal mass flow rate to the burner and (ii) equalpower output. The Reynolds Averaged Navier-Stokes equations (RANS) with the k-e turbulent model using ANSYS FLUENT are used for the simulations. It is compared the flame dynamics, temperature and velocity fields, mass fraction evolution, etc. from the natural gas and biomass gasification gas for the two cases studied. The performace of a burner designed for natural gas working with synthesis gas is analyzed.