Modelado de un gasificador estratificado de lecho móvil de biomasa, utilizando CFD

Estudios e tiga RIIT Vol.IX. No.4. 2008 329-338, ISSN1405-7743 FI-UNAM (artículo arbitrado) Inves ciones Recientes Modelado de un gasificador estratificado de lecho móvil de biomasa, utilizando CFD CFD Modelling of an Open Core Downdraft Moving Bed Biomass Gasifier A. Rogel-Ramírez FES Zaragoza-UNAM, Cd. de México. E-mail: (Recibido: junio de 2007; aceptado: diciembre de 2007) Resumen Este estudio describe un modelo numérico bidimensional, basado en Dinámica de Fluidos Computacional (CFD), desarrollado para simular el flujo y las reacciones que ocurren en un gasificador estratificado de flujos paralelos, en el que se resuelven ecuaciones de conservación Eulerianas para los componentes de la fase gaseosa, la fase sólida, velocidades y entalpías específicas. El modelo está basado en el código PHOENICS y representa una herramienta que puede ser utilizada en el análisis y diseño de gasificadores. En las reacciones globales homogéneas se consideran las contribuciones de la cinética química y la rapidez de mezclado, usando el modelo Eddy Brake-UP (EBU). La media harmónica de la cinética química y la transferencia de masa, determinan las velocidades globales de las reacciones heterogéneas entre el carbón activo y O2, CO2 y H2O. El efecto de la turbulencia en la fase gaseosa se determina usando el modelo k-e. El modelo proporciona información de la composición del gas, velocidades y temperaturas de salida y el comportamiento del reactor, y permite cambiar los parámetros de operación, y las propiedades de la alimentación. Finalmente, se comparan los valores predichos por el modelo con datos disponibles en la literatura, mostrando congruencia satisfactoria desde un punto de vista cualitativo. Descriptores: Modelado CFD, gasificación de biomasa, gasificador estratificado, modeloEddyBrake-UP. Abstract This paper contains the description of a bidimensional Computacional Fluid Dynamics (CFD), model developed to simulate the flow and reaction in a stratified downdraft biomass gasifier, whereby Eulerian conservation equations are solved for particle and gas phase components, velocities and specific enthalpies. The model is based on the PHOENICS package and represents a tool which can be used in gasifier analysis and design. Contributions of chemical kinetic and the mixing rate using the EBU approach are considered in the gas phase global homogeneous reactions. The harmonic blending of chemical kinetics and mass transfer effects, determine the global heterogeneous reactions between char and O2, CO2, and H2O. The turbulence effect in the gas phase is accounted by the standard k-e approach. The model provides information of the producer gas composition, velocities and temperature at the outlet, and allows different operating parameters and feed properties to be changed. Finally, a comparison with experimental data available in literature was done, which showed satisfactory agreement from a qualitative point of view, though further validation is required. Modelado de un gasificador estratificado de lecho móvil de biomasa, utilizando CFD Keywords: CFD modeling, Biomass Gasification, Stratified Downdraft Gasifier, Eddy Brake Up Model. Introducción Entre las fuentes de energía renovables (solar, viento, hidráulica, mareomotriz) la biomasa es la que tiene mayor potencial para producción de energía. La gasificación, un proceso termoquímico, convierte a la biomasa alimentada a un reactor (gasificador) en un gas combustible con poder calorífico de 3-5 MJ/Nm3 (Mansaray et al., 2000), cuando se utiliza aire como oxidante (de 10-20 MJ/Nm3, usando oxígeno y/o vapor de agua como oxidante), esta energía es disponible debido al contenido de CO y H2 del gas producido. Este gas puede ser utilizado en calentadores, intercambiadores de calor, motores de combustión interna, combustibles y químicos sintéticos. Este trabajo describe el diseño de un gasificador estratificado de flujos paralelos. En un gasificador estratificado de flujos paralelos (GEFP, downdraft) el combustible se alimenta por la parte superior del gasificador mediante un tornillo sinfín y el aire, a través de cuatro entradas radiales, distribuidas circunferencialmente. Los flujos paralelos de partículas sólidas y aire se mueven lentamente a lo largo del gasificador. Se deposita una alimentación continua de biomasa fresca en la superficie del lecho, para mantener el nivel constante de la cama mientras procede la gasificación. La cantidad de aire es controlada de modo que existan suficientes reacciones de combustión para mantener la temperatura del sistema lo suficientemente alta para pirolizar al combustible, pero de manera que no todos los volátiles sean consumidos. Las reacciones de la fase gaseosa ocurren rápidamente, produciendo una mezcla de CO, H2, CH4, CO2, H2O y N2. Una vez que los volátiles se han desprendido del sólido, permanece una mezcla de carbón fijo y cenizas como remanente. El carbón fijo reacciona con CO2 y H2O para producir CO y H2. Para predecir la composición del gas producido, el perfil de temperatura del sólido y del gas y el comportamiento del gasificador cuando las condiciones de operación y de alimentación varían, se han propuesto varios modelos numéricos para sistemas de conversión de biomasa. Muy pocos modelos matemáticos han acoplado la cinética de reacciones químicas y los fenómenos de transporte a gasificadores estratificados de flujos paralelos (Manurung y Beenackers, 1994). Un modelo de equilibrio fue usado para predecir el proceso de 330 RIIT Vol.IX. No.4. 2008 329-338, ISSN1405-7743 FI-UNAM gasificación en un GEFP, determinando la composición del gas y su poder calorífico (Zainal et al., 2001). Presentaron un modelo transiente unidimensional para la partícula y el lecho (1-D+1-D) para un gasificador de flujos cruzados, resolviendo balances de masa, momentum y energía para todo el sistema (Wurzenberger et al., 2002). Modelaron los procesos de gasificación de madera, basándose en la minimización de la energía libre de Gibbs y utilizando el simulador de procesos ASPEN PLUS (Mathieu y Dubuisson, 2002). Desarrollaron un modelo fenomenológico de la gasificación de biomasa en un GEFP, bajo régimen permanente, basado en reacciones cinéticas de la literatura para la zona de reducción (Gildrap et al., 2003). Modificaron el modelo de Gildrap incorporando la variación del factor de reactividad del carbonizado (CRF) a lo largo del la zona de reducción del GEFP, para predecir la composición del gas producido y el perfil de temperatura de la fase gaseosa (Babu y Sheth, 2006). Todos los trabajos mencionados anteriormente consideran un flujo unidireccional (flujo pistón) y no se considera la turbulencia del gas en el lecho fijo. Este trabajo se avoca a la construcción de un modelo dinámico bidimensional en coordenadas cilíndricas esféricas para el gasificador y en coordenadas esféricas para la partícula de biomasa, considerando los fenómenos químicos y de transporte, la energía cinética turbulenta y su disipació (...truncated)