Heat transfer in oxy-fuel fluidized bed boilers

AutoresBolea Aguero, Irene
Año publicación2013
CategoríasCO2 CAPTURE,COMBUSTION,HEAT TRANSFER,
CódigoCP-0889

 

Resumen
A pesar de la estabilización de la demanda de carbón en los países desarrollados, su papel en el mix energético de las próximas décadas es fundamental todavía. El uso de carbón como combustible incrementará particularmente en las economías desarrolladas, como India, o China, donde este combustible es abundante y permite moderar la dependencia energética de potencias extranjeras. Paralelamente, la comunidad internacional coincide en la importancia de dirigir esfuerzos hacia políticas que se comprometan a reducir las emisiones de CO2 a la atmósfera en el corto período hasta 2015. Se han realizado ya avances considerables con respecto a la eficiencia energética de las plantas de potencia, lo que conlleva la reducción de las toneladas de CO2 producidas por KWh. Sin embargo, la disminución de emisiones globales ha de ser más drástica para amortiguar sus consecuencias. A este respecto, la captura y almacenamiento de CO2 (CCS, Carbon Capture and Storage) presentan un potencial de reducción de emisiones de CO2 de fuentes estacionarias de un 25%, en cuanto se encuentren en un desarrollo comercial. Las tecnologías CCS se agrupan generalmente en tres grandes grupos: las de post-combustión (final de tubería), pre-combustión (tratamiento del combustible previo a la combustión) y oxicombustión (combustión con oxígeno sin presencia de nitrógeno del aire). La oxicombustión de combustibles sólidos, como la combustión convencional, puede ser implementada en calderas de combustible pulverizado o en calderas de lecho fluido (CFB, Circulating Fluidized Beds). Esta última tecnología exhibe unas características de operación especialmente adecuadas para la aplicación de la oxicombustión. En primer lugar, la versatilidad de combustibles que pueden ser utilizados, desde biomasa a diferentes rangos de carbones, o incluso, residuos, tiene un enorme potencial para ser aplicado en el mix energético de una manera muy flexible. La temperatura moderada y uniforme en el lecho, evita por un lado la formación de NOx térmico. 

Por otro, con la adición de sorbentes cálcicos, esta temperatura optimiza las reacciones de sulfatación y se minimizan las emisiones de SO2. Si además se implementa la tecnología de captura de CO2 en oxicombustión, el resultado se aproximaría por fin al concepto de combustión limpia de carbón. El interés de la oxicombustión en lecho fluido ha crecido mucho en la última década. Existen algunas plantas piloto en el mundo dedicadas a profundizar en aspectos fundamentales del proceso. La planta más grande de oxicombustión en lecho fluido se encuentra precisamente en Ponferrada, León, y funciona exitosamente desde 2011. Es una planta demostrativa de 30 MW térmicos, exclusivamente dedicada a investigación. Las implicaciones de la oxicombustión en lechos fluidos a gran escala, particularmente con altos porcentajes de O2 en la corriente oxidante, solo se pueden pronosticar por el momento, a través de modelos matemáticos. En el Capítulo 2 de esta tesis, se ha realizado un modelo unidimensional de un lecho fluido circulante en oxicombustión de gran tamaño. La primera parte de dicho capítulo se dedica a revisar los modelos existentes y validados para la combustión con aire. Las mismas estrategias se han aplicado al modelado de la oxicombustión, dividiendo el modelo en tres módulos interdependientes entre sí: la fluidodinámica, la combustión y sulfatación, y la transferencia de calor. La validación real de los modelos de oxicombustión a gran escala no es posible, ya que no existen plantas reales operando en estas condiciones. En la literatura existen dos grandes compañías que han publicado los resultados de sus modelos de oxicombustión en grandes lechos fluidos. Aunque no es posible encontrar los detalles de dichas simulaciones, sus resultados se han comparado con los del modelo desarrollado aquí, para comprobar si el grado en que los resultados del modelo son coherentes y fiables. Los resultados del modelo de oxicombustión en un lecho fluido de gran tamaño se han analizado desde tres perspectivas diferentes. Por un lado, los futuros lechos fluidos en oxicombustión permitirán reducir el tamaño de caldera y, con él, los costes de capital. A medida que se incrementa la concentración de oxígeno en la corriente oxidante, el área transversal de la caldera habrá de disminuir, para obtener velocidades adecuadas de fluidización. Los resultados indican que, incrementando la concentración de oxígeno hasta un 60%, el tamaño de la caldera pude reducirse un 66%. En consecuencia, el área disponible para intercambiar calor en las paredes de la caldera, disminuirá también considerablemente. Para refrigerar la caldera de manera adecuada, los sólidos recirculados habrán de incrementarse desde 7.8 kg/m2s, hasta 32.7 kg/m2s. La posibilidad de manipular el caudal de sólidos arrastrados y recirculados, permite una gran flexibilidad para trabajar a diferentes potencias de combustible. Por ejemplo, para regular adecuadamente la temperatura de una caldera con una geometría determinada, que aumente su potencia de 600 MW a 800 MW, los sólidos recirculados habrán de incrementar 14.3 kg/m2s. De manera análoga, el incremento de concentración de oxígeno en la corriente oxidante, permite mayor alimentación del combustible, dado por la estequiometria. De esta manera, con 40% de oxígeno a la entrada, la temperatura en la caldera puede regularse con dos estrategias complementarias: o bien incrementando el caudal de sólidos recirculados, hasta 20.7 kg/m2s y enfriarlos hasta 720ºC antes de introducirlos de nuevo al lecho; o bien, no modificar dicho caudal, pero disminuir la temperatura a la que los sólidos son recirculados, hasta 620ºC. Todo este análisis apunta a un protagonismo particularmente relevante de un equipo de extracción de calor externo a la caldera, el denominado External Heat Exchanger, EHE. Estos intercambiadores de calor se usan en ocasiones en las grandes calderas de lecho fluido circulante de combustión convencional, pero en la oxicombustión, su uso será esencial e inevitable, para poder controlar las temperaturas en niveles adecuados. Los EHEs son, en general, intercambiadores de calor de lecho fluido en régimen burbujeante. Constan de haces de tubos que los atraviesan transversal o longitudinalmente. Su uso en calderas de lecho fluido en oxicombustión va a entrañar dos particularidades que aún no han sido abordadas por ninguna investigación: la diferente composición del gas de fluidización con respecto a su funcionamiento con aire y la mayor cantidad de sólidos que habrán de ser enfriados para conseguir las temperaturas de lecho adecuadas. Por un lado, la composición del gas con el que será fluidizado el EHE, será diferente. Convencionalmente se ha tratado de aire. En muchos casos, parte del oxígeno del aire, permite la combustión de partículas inquemadas que llegan al EHE desde el ciclón. En el caso de la oxicombustión, el aire no puede ser introducido en el sistema, ya que el objetivo último es obtener una corriente concentrada de CO2, y la presencia de N2 contaminaría los gases de salida. El gas con el que se fluidice el EHE será una extracción de los propios gases de escape, que estarán compuestos de altas concentraciones de CO2. La transferencia de calor en lechos fluidos burbujeantes se ha estudiado extensamente a lo largo de las décadas. El mecanismo fundamental de transferencia de calor en este régimen es el debido a la conducción transitoria de las partículas cuando contactan con la pared de intercambio (convección de partículas). Además, el mecanismo de radiación de las partículas, y la convección del gas, tanto de la fase burbuja como de la intersticial entre las partículas, empiezan a dominar para mayores velocidades de fluidización y menores densidades del lecho. Sin embargo, la influencia en la transferencia de calor global del cambo de atmósfera que ocurre durante la oxicombustión, no se ha cuantificado todavía. El Capítulo 3 aborda este asunto experimentalmente. En el lecho fluido burbujeante de CIRCE se han llevado a cabo campañas de pruebas en combustión con aire, en oxicombustión con mezclas de O2/CO2 y en oxicombustión con recirculación de gases de escape. Gracias a las camisas que se usan para la refrigeración y, a partir de los correspondientes balances de energía, se han medido los coeficientes de transferencia de calor en un amplio rango de concentraciones de O2 y de temperaturas. El análisis de los resultados se llevó a cabo desde dos enfoques diferentes. El enfoque puramente empírico trata la transferencia de calor de manera análoga a la convección forzada gaseosa, por medio de correlaciones experimentales. El enfoque mecanístico semi-empírico, que plantea la conducción transitoria de los paquetes de partículas, y utiliza relaciones empíricas para los términos que no pueden ser medidos experimentalmente: el tiempo de residencia de las partículas en la superficie, y la conductividad térmica efectiva del empaquetamiento que contacta la superficie de intercambio. Entre las correlaciones empíricas, la que mejor aproxima los valores obtenidos en oxicombustión, es la propuesta por Molerus y colaboradores (1995). El enfoque mecanístico, sin embargo, es el que mejor ajusta los datos obtenidos en este estudio. Se recomiendan la correlación de Xavier y Davidson (1985) para modelar mejor la conductividad térmica efectiva de los empaquetamientos en atmósferas de oxicombustión y la expresión desarrollada por Zarghami et al. (2007) para calcular el tiempo de residencia de los empaquetamientos. La expresión resultante, incluye además el término asociado a la resistencia térmica adicional de la pared gaseosa, durante los instantes en que los empaquetamientos intercambian el calor por condicción transitoria. Este término diferencia la transferencia de calor en oxicombustión y en combustión con aire. El ajuste del parámetro empírico involucrado en esta expresión, permite establecer dos valores óptimos diferentes para los dos modos de operación. La expresión resultante para la transferencia de calor durante la oxicombustión en lecho fluido burbujeante, permite una estimación de los valores experimentales con una desviación media de 8.6%. La otra particularidad a la que se enfrentará la operación de los EHE en calderas de oxicombustión, residirá en la elevada cantidad de sólidos que habrán de recorrer este equipo y enfriarse hasta temperaturas adecuadas, para cumplir los requerimientos del balance de energía en la caldera. Existe escasa información en la literatura sobre las consecuencias de la distribución no uniforme de los coeficientes de transferencia de calor entre los tubos de un EHE. Aún así, todos coinciden en que el caudal de sólidos afecta dicha distribución, apareciendo zonas de transferencia de calor más intensa, y otras con fluidización más pobre, que no permiten tanto intercambio de calor con los tubos. En el Capítulo 4 se aborda esta cuestión desde la experimentación en un modelo frío de EHE y el modelado detallado de un EHE, para integrarlo en el modelo global de CFB desarrollado al comienzo. El modelo frío de EHE estaba originariamente conectado a un CFB bidimensional. Para poder alimentar manualmente caudales de sólidos en un rango amplio, el EHE se ha desacoplado del CFB para ser operado independientemente. De esta manera, se han podido manipular las dos variables: la velocidad de fluidización y la cantidad de sólidos que atravesaban el EHE. Los resultados de los experimentos mostraron que los coeficientes de calor locales se incrementaron en general, con respecto a aquellos obtenidos cuando no había sólidos alimentados. Sin embargo, mayores caudales de sólidos promueven también más desigualdades de los coeficientes locales entre unas zonas y otras. Para poder extrapolar los resultados de los coeficientes locales, el coeficiente medio de transferencia de calor se ha evaluado con respecto al tiempo que las partículas alimentadas necesitan para atravesar el equipo hasta la tubería de recirculación. De esta manera, se ha obtenido un factor de corrección que, aplicado al coeficiente de transferencia de calor sin aporte de sólidos, cuantifica el aumento de éste debido la circulación de sólidos. A partir de estos resultados, y los obtenidos en el Capítulo 3, se pueden obtener unos coeficientes de transferencia de calor que tengan en cuenta los parámetros particulares de las calderas de oxicombustión. Así, se ha desarrollado un modelo de EHE, en base a los detalles geométricos publicados por Man et al. (2012) de un EHE real. Integrando este módulo con el modelo anterior, se han obtenido las áreas de intercambio de calor que serían necesarias para las diferentes concentraciones de O2 planteadas al comienzo de la tesis. A pesar de que el incremento de superficie de intercambio era evidente, dada la cantidad de calor que habría de evacuar el EHE, este aumento queda moderado por el incremento de coeficiente de transferencia de calor dado por el mayor caudal de sólidos calientes que atraviesan el equipo. Con esta tesis se ha demostrado que las superficies de transferencia de calor en los lechos fluidos de oxicombustión habrán de adaptarse a las nuevas características de operación. La relevancia del EHE será particular de los grandes CFB. La predicción de los coeficientes de transferencia de calor en este equipo diferirá de los modelos utilizados en la combustión convencional. En consecuencia, para optimizar el rendimiento de las futuras calderas de oxicombustión en CFB, el diseño de la configuración del EHE tendrá que tener en cuenta los aspectos tratados en esta tesis.