Estudio de la aplicación de la tecnología oxicombustión en calderas de lecho fluido circulante

La creciente demanda de energía por la sociedad actual junto a la preocupación medioambiental ha derivado en la necesidad de buscar nuevas formas de obtención de energía con un menor impacto ambiental, sin perder las prestaciones técnicas y sin comprometer la cantidad de energía obtenida. La tendencia actual de la sociedad a la hora de buscar soluciones a este problema se centra en la investigación de energías renovables. Estas energías presentan desventajas como el bajo rendimiento y la condición de que se dé la posibilidad, por características del ambiente, de poder obtener energía. Estas desventajas hacen de estos métodos de energía una alternativa poco factible actualmente para remplazar a los combustibles fósiles. Por lo comentado anteriormente, es necesario encontrar una solución ante la alta contaminación derivada de la combustión de combustibles fósiles en el proceso de obtención de energía eléctrica. La solución que parece a priori más realizable es la aplicación de la oxi-combustión como método de combustión de los combustibles fósiles, reduciendo así las emisiones de gases de efecto invernadero. En el siguiente trabajo de fin de grado se realiza un estudio comparativo entre dos tecnologías de desarrollo de la combustión; combustión clásica, usando aire como comburente, y oxi-combustión, en la cual se usa como comburente una corriente de aire modificada, con altas concentraciones de oxígeno, en plantas de generación de vapor, con el fin de producción de energía eléctrica. Para poder realizar una comparación objetiva de los dos tipos de combustión se ha elegido como parámetro determinante el coeficiente de película que determina la transferencia de calor entre los gases de escape y el caudal de agua de la instalación. Por otro lado, dado que las razones por las que se plantea la implantación del método de oxi-combustión, son de índole medioambiental y como medida para la regulación de las emisiones gases de efecto invernadero otro factor determinante en la comparación será las emisiones que se producen con cada método. Es imprescindible para la obtención de ambos factores caracterizar de la forma más exacta posible la combustión, en todos sus aspectos; propiedades de los gases de escape, factores influyentes y la composición de los gases de escape. Se ha de realizar un estudio sobre las plantas existentes para el desarrollo de este tipo de producción de energía, con el fin de conocer el diseño de los intercambiadores de calor y las variables operativas que se manejan en este tipo de instalaciones. El conocimiento y la correcta caracterización del proceso de combustión y del intercambio de calor que se pretenden simular nos darán el grado de exactitud con el que trabajamos en este proyecto y la fiabilidad de los resultados que se obtendrán a posterior. Del mismo modo nos permitirá realizar un correcto análisis de los mismos y consecuentemente la posibilidad de proponer mejoras para optimizar dicho proceso. En un primer momento se realiza una investigación de la situación mundial actual en este tipo de tecnologías y el marco energético en el que nos desarrollamos, adquiriendo toda la información relevante en estos ámbitos. Una vez adquiridos los conocimientos requeridos y tomando como referencia para el desarrollo del proyecto los experimentos conocidos más actuales se procede al desarrollo y caracterización de nuestro experimento en particular. Como punto de partida de este trabajo se toma la central de Lagisza, en Polonia. Esta central se desarrolló para la investigación y la comprobación de la viabilidad técnica de las calderas de lecho fluido circulante en condiciones supercríticas para la producción de vapor. El hecho de elegir esta central como punto de partida para el diseño de nuestro experimento es debido a que no se han realizado pruebas de la oxi-combustión en calderas de esta magnitud, siendo la de Lagisza de mayor potencia que la que se encuentra en las instalaciones de CIUDEN. Una vez queda determinada la caldera y los intercambiadores de calor que se van a utilizar se realiza la caracterización de la combustión, aplicando las condiciones de nuestro caso en particular. Para ello se precisa del desarrollo de un programa en Matlab que determine las propiedades de la corriente de gases de escape de la combustión para cualquier tipo de combustible y comburente que se introduzca. Con motivo de la determinación de estas propiedades se hará uso de dos programas más, el primero, de propiedades de los distintos compuestos presentes en dicha corriente fluida, y el segundo será el programa XSteam, ampliamente utilizado para determinar las propiedades del vapor de agua en este tipo de simulaciones. Para obtener los resultados requeridos para la comparación se desarrolla un programa que simule la caldera sobre la que se trabaja, utilizando las ecuaciones de transferencia de calor propias de los intercambiadores de calor de las calderas de lecho fluido circulante. En el diseño del experimento se plantea realizar variaciones de las variables que dirigen la combustión, tales como temperatura, presión del hogar y los reactivos que se utilizan para el desarrollo de la combustión. Para ello se realiza un muestreo determinado, dadas las condiciones de contorno en las que trabajamos, impuestas por el diseño de la caldera. De este modo se plantea realizar variaciones de temperatura de 10°C dentro de los límites en los que opera este tipo de calderas. Para cada una de estas temperaturas se varía la presión del hogar con cinco presiones distintas, se usan tres tipos de combustibles y se varía el porcentaje de oxígeno en el comburente desde el oxígeno puro comercializado actualmente, hasta el uso de aire como comburente. Este último será el factor determinante ya que el estudio que se realiza pretende comparar el intercambio de calor utilizando por un lado aire como comburente y por otro oxígeno puro. Una vez se obtienen los datos de las simulaciones realizadas, se procede a determinar qué variables tienen influencia apreciable. Dado la gran cantidad de datos obtenidos se comprimirán teniendo analizando las variaciones únicamente de las variables más determinantes, y se procederá a su análisis. En este experimento en particular es de interés comparar la composición de los gases de escape de la combustión, la cantidad de comburente que se necesita y el coeficiente de película que se obtiene en función de los distintos comburentes utilizados, en especial, dada su gran importancia relativa en el intercambio de calor se hace especial atención en el coeficiente de película que se obtiene en las paredes del hogar. Por último se presentan las conclusiones que se derivan del análisis de los resultados y las posibles líneas de desarrollo que tiene el proyecto en el futuro