Presentamos aquí el proyecto DT4Biomass (Digital Twin for Biomass Boilers), financiado por la Unión Europea a través de la convocatoria H2020-INNOSUP-2018-2019, que ha impulsado significativamente nuestra investigación en la simulación de calderas de biomasa. Este proyecto, orientado al apoyo a la innovación en pymes, permitió la contratación de un experto con doctorado durante un año, fortaleciendo tanto nuestras capacidades de investigación como la formación de la persona contratada en materia de innovación en la empresa.
El enfoque principal de DT4Biomass fue el desarrollo de un modelo preciso y eficiente desde el punto de vista computacional para la simulación de calderas de biomasa, con la flexibilidad necesaria para adaptarse a diversos tipos de calderas. Un desafío fundamental en la simulación de estas calderas radica en el modelado de la parrilla, donde ocurren procesos complejos como el secado, la devolatilización y la combustión heterogénea de las partículas de biomasa. A su vez, las especies químicas liberadas son arrastradas al hogar por el aire primario introducido por la parte inferior de la parrilla, de forma que en el hogar se completa la combustión de los estas especies (volátiles y CO, fundamentalmente). Por otro lado, la parrilla recibe calor por radiación del hogar, el cual es fundamental para que se lleven a cabo los procesos que tienen lugar en su seno. Por tanto, ocurren fenómenos distintos, pero fuertemente acoplados. Por ello, la simulación de la parrilla es importante para conseguir representar de forma adecuada la operación de la caldera de biomasa.
El modelo desarrollado se ha construido para la simulación de calderas de biomasa en donde la biomasa se distribuye de forma neumática sobre la parrilla (spreader stoker). Las partículas finas completan la combustión en suspensión, mientras que las partículas más gruesas se depositan en la parrilla después de haber liberado parcialmente la humedad e, incluso, los volátiles. Este tipo de calderas son capaces de quemar simultáneamente distintos combustibles (por ejemplo, astillas y paja) y son apropiadas para proyectos de generación eléctrica o de vapor, relativamente, grandes.
Uno de los problemas que presenta su simulación es la necesidad, no solamente de modelar la parrilla, sino también la trayectoria de las partículas y los fenómenos que ocurren en suspensión y, además, localizar donde se depositan en la parrilla y en que estado (contenido de humedad, volátiles y char). Esta complejidad, junto al hecho que la caldera es capaz de manejar combustibles muy distintos, se alineó con el propósito de desarrollar un modelo capaz de adaptarse de forma sencilla a cualquier tipo de caldera de biomasa.
La siguiente figura muestra una de las calderas sobre las que se validado el modelo. Las partículas de biomasa se inyectan desde la pared frontal, depositándose en la parrilla, principalmente, cerca de la pared trasera. La parrilla se mueve desde la pared trasera hasta la pared frontal. El aire primario se introduce por debajo de la parrilla (de forma uniforme o distribuyendo el aire en las distintas zonas de esta). El aire secundario aporta el aire necesario para la combustión y, además, empuja los gases de combustión hacia la pared frontal. El aire terciario suministra finalmente el aire necesario para completar la combustión. Esta Figura muestra la dificultad de la simulación de este tipo de calderas.
La figura siguiente muestra los resultados del modelado. La combustión se produce de forma más intensa en la zona de la parrilla cercana a la pared trasera (donde se depositan buena parte de las partículas). En esa zona se observan temperaturas más elevadas y concentraciones de O2 más bajas. También se observa como se completa la combustión en la zona próxima a la entrada del aire terciario. El modelo desarrollado se ha validado satisfactoriamente en dos calderas de alimentación neumática de biomasa (spreader stoker).
Además de calcular estas variables y el patrón de flujo en la caldera, este modelo permite calcular emisiones (NOx), inquemados, transferencia de calor y otras variables de interés, tanto para el diseño de la caldera como para su operación (por ejemplo, cambios de combustible o modificaciones en la humedad, forma o granulometría de este, optimización de la operación, estudio de problemas presentes en la caldera, mantenimiento predictivo, etc.).
DT4Biomass permitió a nablaDot aumentar su portfolio de modelos relativos a la simulación de instalaciones de combustión. Así, nablaDot dispone de modelos ad-hoc para la simulación de la combustión de combustibles fósiles y biomasa, de transferencia de calor en la zona de recuperación de calor y de limpieza de gases de combustión (desulfuración y desnitrificación). Asimismo, los modelos desarrollados en este proyecto pueden extenderse a otras aplicaciones relacionadas con procesos termoquímicos de la biomasa (secado, pirólisis, gasificación).
El modelo desarrollado en este proyecto se presentó en el 29º Congreso Europeo de Biomasa (EUBCE 2021).
This project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement No 861842.