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Proyecto Fin de Carrera ANÁLISIS DE LA TRANSFERENCIA DE CALOR EN LA ZONA CONVECTIVA DE UNA CALDERA DE OXI-COMBUSTIÓN Mª Pilar Esteban Hernando Directores Norberto Fueyo Díaz Antonio Gómez Samper Escuela de Ingeniería y Arquitectura de Zaragoza 2012 Pág. 2 RESUMEN En este proyecto se analiza la transferencia de calor en la zona convectiva de una caldera que opera en modo oxi-combustión y los factores que influyen en dicha transferencia. Para ello, se va a describir este modo de combustión y a comparar con el modo de combustión tradicional, esto es, con aire. Cada modo de combustión produce unos gases de salida con una composición distinta, lo cual hace que estos tengan diferentes propiedades termodinámicas que pueden afectar a la transferencia de calor en la zona convectiva de la caldera. Para comparar cada caso, se va a utilizar un modelo de fluidodinámica computacional desarrollado por el Grupo de Fluidodinámica Numérica (GFN) de la universidad de Zaragoza, con el que se simulará la zona convectiva de una caldera experimental. Esta caldera forma parte de la Fundación de la Ciudad de la Energía (CIUDEN), situada en la provincia de León, y puede operar en los dos modos, esto es, aire y oxi-combustión. Pág. 3 TABLA DE CONTENIDOS 1. INTRODUCCIÓN ......................................................................................................................... 4 2. INTRODUCCIÓN A LA OXI-COMBUSTIÓN ................................................................................... 6 3. DIFERENCIAS OXI-COMBUSTIÓN Y MODO AIRE ......................................................................... 8 3.1. CÁLCULO DEL COEFICIENTE DE TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONVECCIÓN ...... 13 4. BREVE DESCRICIÓN DE LOS MODELOS ..................................................................................... 15 5. LA CIUDAD DE LA ENERGÍA (CIUDEN) ...................................................................................... 17 5.1. INTRODUCCIÓN ................................................................................................... 17 5.2. CALDERA DE LECHO FLUIDIZADO CIRCULANTE (LFC) ............................................. 17 5.2.1. DESCRIPCIÓN DE LA ZONA CONVECTIVA .................................................................. 19 6. VALIDACIÓN ............................................................................................................................ 22 6.1. INTRODUCCIÓN ................................................................................................... 22 6.2. CASO OXI-COMBUSTIÓN HÚMEDA ....................................................................... 24 6.3. CASO AIRE ............................................................................................................ 32 6.4. COMPARACIÓN ENTRE EL CASO AIRE Y EL CASO OXI-COMBUSTIÓN ...................... 40 7. RESULTADOS ........................................................................................................................... 42 7.1. INFLUENCIA DE LA RADIACIÓN ............................................................................. 43 7.1.1. EFECTO DE LA RADIACIÓN EN EL MODO DE OXI-COMBUSTIÓN ................................ 43 7.2. EFECTO DE LA RADIACIÓN EN EL MODO AIRE ........................................................ 46 7.3. COMPARACIÓN CON OXI-COMBUSTIÓN SECA ...................................................... 49 7.4. OTROS CRITERIOS DE DISEÑO ............................................................................... 54 7.4.1. MISMO GASTO MÁSICO DE ENTRADA ...................................................................... 54 7.4.2. MISMO GASTO MÁSICO Y TEMPERATURA DE ENTRADA ........................................... 57 7.4.3. COMPARACIÓN DE LA TRANSFERENCIA DE CALOR SEGÚN CADA CRITERIO ............... 60 8. CONCLUSIONES ....................................................................................................................... 63 Anexos……………………………………………………………………………………….……………65 Bibliografía………………………………………………………………………………….…………103 Pág. 4 1 1. . I IN NT TR RO OD DU UC CC CI IÓ ÓN N En este proyecto fin de carrera se analiza la transferencia de calor en la zona convectiva de una caldera que opera en modo oxi-combustión mediante la simulación de ésta. La oxi-combustión es una tecnología de combustión que permite obtener gases de salida con CO2 prácticamente puro, por lo que, posteriormente, éste puede ser capturado, almacenado o utilizado directamente. Para obtener una elevada concentración de CO2 en los gases se utiliza sólo oxígeno en vez de aire (como se hace en la combustión tradicional). Debido a la problemática del efecto invernadero que existe en la actualidad, la oxi-combustión se ha convertido en una tecnología de combustión prometedora para reducir las emisiones de CO2 por lo que, actualmente, está siendo ampliamente estudiada. Respecto a la transferencia de calor en la zona convectiva, las principales diferencias entre el modo oxi-combustión y el modo aire son causadas por la distinta composición de los gases de salida del hogar entre ambos modos. Ello hace que varíen las propiedades termodinámicas relacionadas con la transferencia de calor por convección (por ejemplo, capacidad calorífica o conductividad térmica) y radiación (emisividad de los gases). Mediante las simulaciones llevadas a cabo en este proyecto se analizará la influencia de estas diferencias en la transferencia de calor de una zona convectiva. En concreto, la zona convectiva analizada en el modelo computacional forma parte de las instalaciones experimentales de la Fundación Ciudad de la Energía (CIUDEN) ubicadas en Cubillos de Sil (León), las cuales pueden operar tanto en modo convencional (aire) como en modo oxi-combustión. El modelo computacional empleado en este proyecto ha sido desarrollado por el Grupo de Fluidodinámica Numérica de la Universidad de Zaragoza. En los Anexos se describen detalladamente los modelos empleados para la simulación de la transferencia de calor. La estructura de esta memoria se indica a continuación. Inicialmente se describe un proceso típico de oxi-combustión y se comparan los modos de oxi-combustión húmeda y seca frente a la combustión mediante aire. Después, se describen brevemente los modelos empleados en la modelización de la zona convectiva analizada en este proyecto. Una vez se han descrito los modelos, se prosigue con la descripción de la zona convectiva modelada y su validación (en el momento en el que se ha realizado el proyecto sólo se disponen de los datos experimentales para los casos de oxicombustión húmeda y combustión con aire, por lo que serán éstos los casos validados). Pág. 5 A continuación, se presenta el análisis paramétrico realizado en el cual se ha analizado: - La influencia de la radiación o Modo oxi-combustión o Modo aire - La oxi-combustión húmeda respecto a la oxi-combustión seca - Otros criterios de diseño para la zona convectiva (mismo gasto másico y temperatura de entrada) Finalmente se exponen las conclusiones obtenidas en este proyecto. Pág. 6 2 2. . I IN NT TR RO OD DU UC CC CI IÓ ÓN N A A L LA A O OX XI I- -C CO OM MB BU US ST TI IÓ ÓN N Debido a la problemática del efecto invernadero, se impone la reducción de las emisiones de CO2 en los procesos industriales. La oxi-combustión es una tecnología que en este aspecto es interesante, ya que permite obtener gases de salida con CO2 relativamente puro el cual puede ser posteriormente capturado y almacenado. La oxi-combustión consiste, básicamente, en la eliminación del nitrógeno del gas oxidante (aire) para llevar a cabo el proceso de combustión en una atmosfera compuesta por oxígeno y gases de salida recirculados, ricos en CO2. De esta forma, el gas de salida producido consiste principalmente en CO2 y vapor de agua. La oxi-combustión es una solución prometedora para reducir las emisiones de CO2 ligadas a las actividades industriales tradicionalmente contaminantes como, por ejemplo, las centrales eléctricas de carbón, los altos hornos o las cementeras. Además, la oxi-combustión puede emplearse para diferentes combustibles tales como el carbón, gas natural o una mezcla de biomasa y carbón. Los problemas principales de este tipo de tecnologías son el consumo de energía que es necesario para separar el oxígeno del aire y para comprimir el CO2 previamente para su almacenamiento, lo cual repercute en una pérdida de eficiencia muy relevante (entre un 8-10 % menor que un sistema tradicional de aire), y el alto coste de la inversión requerida, en comparación con una instalación convencional. En la Figura 1 se puede observar el diagrama típico de una planta de oxi-combustión. Figura 1. Esquema típico de una planta de oxi-combustión [1] Pág. 7 Como se observa en la Figura 1, al principio del proceso se procede a la separación del nitrógeno del aire mediante una unidad de fraccionamiento de aire (ASU) para enriquecer el comburente en O2 (pureza superior al 95%) y rebajar la presencia de nitrógeno. Una vez se ha separado el oxígeno, se introduce en la caldera el combustible con el oxígeno y los gases de salida recirculados para proceder a su combustión. La concentración de O2 en los gases de entrada al quemador es aproximadamente de un 30% en volumen. De esta forma, la concentración de CO2 en los gases resultantes es muy elevada (se pasa de una concentración de un 12% - 17% en modo aire a una concentración próxima al 70% - 95% en volumen de CO2 a la salida). A la salida del hogar, los gases son circulados a través de la zona convectiva. Esta zona aprovecha el calor de los gases para calentar vapor de agua. A continuación, los gases no recirculados son depurados (disminución de SOx, NOx y eliminación de partículas) y purificados (separación del H2O), obteniendo una corriente de gases con una elevada concentración de CO2. Posteriormente, estos gases se comprimen a elevada presión, más de 200 bar, y se inyectan en almacenamientos adecuados. La oxi-combustión puede ser clasificada en oxi-combustión húmeda y oxi-combustión seca, dependiendo si el flujo recirculado contiene vapor de agua o no. Esto hace que cambien las propiedades termodinámicas de los gases de salida. En la Tabla 1 se observan las diferentes proporciones de las especies en los gases recirculados para los distintos tipos de oxicombustión. FACTOR AIRE OXICOMBUSTIÓN CO2+H2O 0.3 0.9 H2O/ CO2 1 0.1 seca 0.3 húmeda 0.8 húmeda, cuando se utiliza lignito Tabla 1. Aire vs oxi-combustión húmeda y seca (% en volumen) [2] La concentración de CO2 y H2O representa el 30% en volumen de los gases de salida en el caso aire mientras que para el caso de oxi-combustión, representan el 90%. Asimismo, la relación entre las concentraciones de H2O y CO2 en el caso de aire es aproximadamente igual a uno. En el modo de oxi-combustión, por otro lado, el ratio entre las concentraciones de H2O y CO2 varía entre el 10% en la oxi-combustión seca y 80% en la oxi-combustión húmeda (cuando se usa lignito como combustible). Pág. 8 3 3. . D DI IF FE ER RE EN NC CI IA AS S O OX XI I- -C CO OM MB BU US ST TI IÓ ÓN N Y Y M MO OD DO O A AI IR RE E Las principales diferencias respecto a la transferencia de calor en la zona convectiva entre la oxi-combustión y la combustión con aire son causadas por la diferencia de composición de los gases de salida, y son:  MAYOR EMISIVIDAD DE LOS GASES La alta proporción de CO2 y H2O en los gases de salida provoca una mayor emisividad de estos en el modo oxi-combustión frente al modo aire, así como una mayor emisividad de los gases en oxi-combustión húmeda frente a seca. Esto es debido a que el agua y el dióxido de carbono emiten y absorben radiación al ser partículas triatómicas. Sin embargo, el nitrógeno, por ejemplo, no emite ni absorbe radiación. En la Figura 2 se observa la emisividad de los gases de salida frente a la longitud característica en la caldera. Figura 2. Emisividad vs longitud característica [3]  TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONVECCIÓN La diferente composición de los gases en la zona convectiva en los casos de oxicombustión (seca y húmeda) frente a la combustión convencional (aire), produce variaciones en las siguientes propiedades termodinámicas en los gases de salida: calor específico, conductividad térmica, viscosidad y densidad. A continuación se indica su influencia en las propiedades termodinámicas. Posteriormente, se ha estimado la influencia global de todas estas propiedades en el coeficiente de transferencia de calor por convección. Pág. 9 En la Tabla 2 se muestra la composición del flujo gas para cada modo de combustión, esto es, aire, oxi-combustión seca y oxi-combustión húmeda. Estas composiciones son las empleadas a continuación para calcular las propiedades termodinámicas medias de los gases de salida del hogar. Composición del gas Unidades Combustión aire Oxi-combustión húmeda Oxi-combustión seca CO2 % masa 15.1 71.4 83.08 O2 % masa 4.0 3.2 3.72 N2 % masa 75.4 3.0 3.5 H2O % masa 5.5 21.2 8.30 Ar % masa 0 1.2 1.4 Tabla 2. Composición para cada caso de combustión en volumen. CALOR ESPECÍFICO En la Figura 3 se observa cómo el vapor de agua tiene un valor bastante superior al resto de componentes del flujo gas. Los valores de N2, O2 y CO2 son muy similares. Figura 3. Calor específico para cada componente del flujo gas a 962ºC y 1 bar de los gases de salida El calor específico de los gases de salida para cada caso de combustión se muestra en la Tabla 3. Los valores del calor específico son parecidos, siendo ligeramente superiores en los casos de oxi-combustión. Aire Oxi-húmeda Oxi-seca (kJ/kg K) 1,28 1,51 1,37 Tabla 3. Calor específico (kJ/kg K) para modo oxi-combustión húmeda, seca y modo aire a 962 ºC y 1 bar de los gases de salida Pág. 16 Fenómenos físicos Ecuaciones de conservación Modelos Flujo fluido (1) Ecuación de continuidad (2) Ecuación de conservación de cantidad de movimiento -Correlación de Prieto et al. (2007) [6] para el cálculo de la pérdida de presión de los gases de combustión en los bancos de tubos. Turbulencia (gases de combustión) (1) k (energía cinética turbulenta) (2) ε (disipación de la energía cinética turbulenta) - k-ε estándar. Transferencia de calor (1) Ecuación de conservación de la energía (para gases de combustión) (2) Ecuación de conservación de la energía (para líquido/vapor) -Correlación de Zhukauskas [5] para el cálculo del coeficiente de convección en el lado gas. -Correlación de McAdams [7] para el cálculo del coeficiente de convección en el lado gas. Radiación (1) Ecuación de transporte para la radiación incidente -Modelo P-1 para la transferencia de calor por radiación. -Modelo WSGGM (weighted sum of grey gases model) modificado para el cálculo de la emisividad de los gases tanto para combustión como para combustión en modo oxi-combustión [8] Tabla 9. Modelos implementados en el modelo matemático desarrollado para la simulación de la zona convectiva.. Pág. 17 5 5. . L LA A C CI IU UD DA AD D D DE E L LA A E EN NE ER RG GÍ ÍA A ( (C CI IU UD DE EN N) ) 5.1. INTRODUCCIÓN En 2009, ENDESA y CIUDEN, con Foster Wheeler como socio tecnológico, presentaron al Programa Europeo de Recuperación Económica de la CE (PERE) la fase inicial del denominado Proyecto Compostilla (OXY-CFB-300). Este proyecto está cofinanciado por la Unión Europea en el marco del Programa Energético Europeo para la Recuperación (PEER). Este Proyecto se basaba en la construcción de una planta de 300 MWe de oxi-combustión con caldera de lecho fluido circulante y almacenamiento en un acuífero salino. Esta tecnología se está poniendo a prueba en la nueva planta de desarrollo tecnológico situada en Cubillos del Sil, junto a la Central Térmica Compostilla de ENDESA, en el Noroeste de España, donde será adaptada a la escala de demostración. En esta planta de desarrollo tecnológico se encuentra la caldera cuya zona convectiva es modelada en este PFC. La caldera es de lecho fluidizado y su potencia nominal son 30 MWth , pudiendo operar tanto en modo aire como en modo oxi-combustión. 5.2. CALDERA DE LECHO FLUIDIZADO CIRCULANTE (LFC) La caldera cuya zona convectiva se modela en este PFC, es una caldera versátil y flexible ya que permite su uso para modo aire y modo oxi-combustión. En la Tabla 10 se pueden observar las principales características de esta caldera LFC. Potencia térmica (MWth) modo aire 15 Potencia térmica (MWth) modo oxi-combustión 30 Flujo máximo de vapor (t/h) 47.5 Temperatura vapor sobrecalentado (ºC) 250 Presión vapor sobrecalentado (bar) 30 Temperatura de agua alimentación (ºC) 170 Temperatura del flujo de gases fuera de la caldera (ºC) 350-425 Tabla 10. Principales características de la caldera LFC [9] Pág. 18 En este tipo de caldera, la combustión se desarrolla en un lecho de partículas calientes suspendidas en una corriente de gas. Este lecho actúa como un fluido y permite una mezcla rápida de las partículas. El carbón es adicionado al lecho y la mezcla continua favorece la combustión completa la cual se desarrolla a una menor temperatura que en los sistemas de combustión con carbón pulverizado. Los lechos fluidizados tienen las ventajas de producir menores concentraciones de NOx en el gas de salida, debido a las menores temperaturas de combustión, y producen menores concentraciones de SOx debido a la adición de sorbentes cálcicos al carbón. Los principales componentes de la caldera simulada son (ver Figura 8): 1. Hogar (cuyas dimensiones son: 20 metros de altura, 2.9 metros de anchura y 1.7 metros de profundidad) 2. El separador de sólidos para la recirculación del material (ciclón) 3. Recirculación de sólidos a. Conducto de sólidos/cenizas al horno b. Conducto de sólidos/cenizas al INTREX 4. Intercambiador de calor INTREX 5. Zona convectiva 6. Evaporador 7. Economizador Figura 8. Caldera de LFC [9] En el hogar (1), se produce la combustión y posteriormente, los gases de salida pasan a través del ciclón (2) para separar las cenizas y sólidos arrastrados. Estos son dirigidos de nuevo al horno, de forma directa (3.a), o indirectamente, a través del intercambiador de calor INTREX (4). Una vez están los gases limpios de sólidos, estos van a la zona convectiva o zona de recuperación de calor (5), en la cual se encuentra el evaporador (6) y el economizador (7). Como ya se ha indicado anteriormente, este proyecto se centra en la zona convectiva de la caldera de oxi-combustión presentada. A continuación se describe en detalle dicha zona. Pág. 19 5.2.1. DESCRIPCIÓN DE LA ZONA CONVECTIVA La zona convectiva o zona de recuperación de calor modelada tiene 13.3 metros de altura, 4.74 metros de anchura y 2.18 metros de profundidad. Consta de los siguientes intercambiadores de calor: -Sobrecalentador: formado por la pared izquierda, derecha frontal, trasera y el techo. -Evaporador -Economizador Como se observa en la Figura 9, el gas procedente del hogar entra a la zona convectiva con una temperatura entre 900 ºC- 1000ºC, y un caudal entre 23000- 31000 kg/h. El flujo de gas pasa primero por la denominada caja convectiva en donde se encuentran el sobrecalentador y el evaporador. Después de atravesar estos intercambiadores el flujo de gas se encuentra en torno a 450ºC Figura 9. Circulación del flujo de gas Finalmente, el flujo de gases pasa por el economizador reduciendo su temperatura a 350 ºC. La caída de presión en la zona convectiva se sitúa entre 260-390 Pa, dependiendo del modo de operación. Pág. 20 A continuación en la Tabla 11 se muestran los datos de operación el flujo de gas en la zona convectiva, operando la caldera a carga nominal. Modo oxi-combustión Modo aire FLUJO GAS Entrada Temperatura (ºC) 914 962 Caudal (kg/h) 30728 23308 Antes del economizador Temperatura (ºC) 450 446 Salida Temperatura (ºC) 350 350 P (Pa) 384 259 Tabla 11. Datos experimentales para el flujo gas en los modos de oxi-combustión y aire operando la caldera a carga nominal. Por otro lado, en la Figura 10 se puede ver el recorrido del flujo de vapor. Figura 10. Circulación del flujo de vapor Pág. 21 Respecto a la circulación del vapor, como se puede ver en la Figura 10, el agua entra al economizador como líquido subenfriado (170 ºC y 33 bar de presión) con un flujo entre unos 20000 – 22000 kg/h y se calienta para posteriormente ir al calderín. El agua que sale del economizador tiene una temperatura en torno a los 200 ºC. Por otro lado, procedente del hogar, se introduce vapor de agua parcialmente saturado en el evaporador. En éste se forma vapor de agua saturado a una temperatura de aproximadamente 239 ºC y 33.5 bares de presión. También, procedente del hogar, se alimenta vapor saturado desde el calderín al sobrecalentador. Este vapor se introduce a 239 ºC, con un caudal de, aproximadamente, 21000 kg/h, y se calienta hasta unos 270 ºC. En la Tabla 12 se presentan los datos de operación para el circuito agua-vapor en la zona convectiva para los modos de oxi-combustión y aire. Modo oxi-combustión Modo aire FLUJO AGUA Y VAPOR Economizador Temperatura entrada (ºC) 170,5 170,5 Temperatura salida (ºC) 207 199 Caudal (kg/h) 22270 20902 Presión (bar) 33,6 33,4 Q intercambiado(MWth) 1 0,73 Evaporador Caudal (kg/h) 129600 138082 Temperatura entrada (ºC) 239 239 Temperatura salida (ºC) 239 239 Presión (bar) 33,6 33,4 Q intercambiado(MWth) 4,42 3,35 Sobrecalentador T entrada (ºC) 239 238 T salida (ºC) 269 276 Caudal (kg/h) 21810 20783 Presión (bar) 32,6 32,2 Q intercambiado(MWth) 0,81 0,61 Tabla 12. Datos experimentales para el lado agua y vapor de los modos de oxi-combustión y aire operando la caldera a carga nominal. Pág. 22 6 6. . V VA AL LI ID DA AC CI IÓ ÓN N 6.1. INTRODUCCIÓN En este apartado se comparan los resultados obtenidos mediante las simulaciones de la zona convectiva para los casos de oxi-combustión húmeda y combustión mediante aire, presentados anteriormente, con las medidas experimentales de estos casos. A continuación, se describen los datos de entrada para cada uno de estos casos. En la Tabla 13 se puede ver los datos experimentales de entrada del flujo de gas en la zona convectiva. Oxicombustión húmeda Aire FLUJO GAS Entrada Flujo (kg/h) 30728 23308 Temperatura (ºC) 914 962 Presión (Pa) 93475 93160 Tabla 13. Datos de entrada del flujo de gas en la zona convectiva. La composición del flujo de gas para cada caso es la indicada en la Tabla 14. Composición del gas Unidades Combustión aire Oxi-combustión húmeda CO2 % masa 15.1 71.4 O2 %masa 4.0 3.2 N2 % masa 75.4 3.0 H2O % masa 5.5 21.2 Ar %masa 0 1.2 Tabla 14. Composición del flujo gas en las medidas experimentales en la zona convectiva Por otro lado, para el lado agua-vapor, los datos de entrada son los mostrados en la Tabla 15. Pág. 23 Oxicombustión húmeda Aire FLUJO AGUA Y VAPOR Economizador Flujo (kg/h) 22270 20902 Temperatura entrada (ºC) 170,5 170,5 Presión (bar) 33,6 33,3 Evaporador Flujo (kg/h) 138082 129600 Temperatura de entrada (ºC) 238 239 Presión (bar) 33.6 33.4 Sobrecalentador Flujo (kg/h) 21810 20783 Temperatura entrada (ºC) 276 268 Presión (bar) 32.6 32.2 Tabla 15. Datos experimentales de entrada del flujo de agua-vapor en la zona convectiva. Por último, se ha considerado una emisividad de la pared de los tubos de 0,5. Por otro lado, la resistencia de ensuciamiento se ha fijado en 5 m2K / kW [11]. Se debe indicar que en el caso del evaporador se ha supuesto que la temperatura de la pared del tubo es 238 ºC, puesto que no se simula el flujo bifásico que circula por su interior. Por lo tanto, el dato del gasto másico en el evaporador realmente no se utiliza en la simulación. Estos dos casos, de oxi-combustión húmeda y aire, se corresponden con un criterio de diseño en el que la velocidad del flujo de gases en la entrada de la zona convectiva es el mismo en ambos casos. Pág. 24 6.2. CASO OXI-COMBUSTIÓN HÚMEDA En la Tabla 16 se pueden ver los resultados para el modo de oxi-combustión. Oxi-combustión húmeda Datos experimentales FLUJO GAS Entrada Temperatura (ºC) 914 914 Antes del economizador Temperatura (ºC) 456 450 Salida Temperatura (ºC) 350 346,5 P (Pa) 378 380 FLUJO AGUA Y VAPOR Economizador Temperatura entrada (ºC) 170,7 170,5 Temperatura salida (ºC) 205,5 207 Q intercambiado(MWth) 1 1 Evaporador Temperatura salida (ºC) 238 238 Q intercambiado(MWth) 4,9 4,4 Sobrecalentador T salida (ºC) 288 276 Q intercambiado(MWth) 1 0,8 Tabla 16. Validación de los resultados obtenidos en oxi-combustión Se observa que los resultados obtenidos coinciden razonablemente con los datos experimentales. Las principales discrepancias se producen en el evaporador (9%) y en el sobrecalentador (20%). A nivel global, la transferencia de calor difiere en un 11% entre la simulación y los datos experimentales. Pág. 25 En la Figura 11 se presenta la velocidad (m/s) del gas en la zona convectiva. En esta figura se observa una mayor velocidad en las zonas situadas entre los bancos de tubos y las paredes de los tubos. Ello es lógico puesto que por estas zonas el flujo de gas no encuentra obstáculos a su paso. Asimismo, también se ve como la velocidad del gas disminuye conforme lo hace su temperatura (y consecuentemente, aumenta su densidad). Figura 11. Velocidad (m/s)del flujo de gas en la zona convectiva en el caso de oxi-combustión Pág. 32 6.3. CASO AIRE En la Tabla 17 se muestran los resultados obtenidos por defecto para el caso aire en la simulación y los datos experimentales medidos en CIUDEN. Tabla 17. Validación de los resultados obtenidos en oxi-combustión Como se puede observar en la Tabla 17, la mayor discrepancia entre los resultados obtenidos en la simulación y los experimentales se produce en el sobrecalentador (en torno al 25 % sobre el calor total transferido). No obstante, en general, los resultados coinciden razonablemente con los datos experimentales. Aire Datos experimentales FLUJO GAS Entrada Temperatura (ºC) 950 960 Antes del economizador Temperatura (ºC) 420 446 Salida Temperatura (ºC) 340 350 AP (Pa) 235 240 FLUJO AGUA Y VAPOR Economizador Temperatura entrada (ºC) 170,7 170,5 Temperatura salida (ºC) 192 199 Q intercambiado(MWth) 0,6 0,73 Evaporador Temperatura salida (ºC) 241 239 Q intercambiado(MWth) 3,8 3,5 Sobrecalentador T salida (ºC) 277 268 Q intercambiado(MWth) 0,8 0,61 Pág. 33 En la Figura 18 se observa la velocidad del gas en este caso. Los contornos son similares a los mostrados en la Figura 11, correspondiente al caso de oxi-combustión húmeda. Figura 18. Velocidad del flujo de gas (m/s) a lo largo de la zona convectiva en el caso de combustión con aire Pág. 34 Por otra parte, la distribución de presión relativa en el modo de combustión mediante aire es la mostrada en la Figura 19. La pérdida de presión es menor en el caso aire que en el caso de oxicombustión. Aunque la velocidad del flujo de gases es similar en ambos casos, la mayor densidad del flujo de gases en la oxi-combustión provoca una mayor caída de presión en ese caso. Figura 19. Distribución de la presión del flujo gas (Pa) a lo largo de la zona convectiva en el caso de combustión con aire Pág. 35 En la Figura 20 se observa la distribución de temperaturas del flujo de gas. Este entra con una temperatura en torno a los 950 ºC y se va enfriando conforme va produciéndose la transferencia de calor. Al final sale el flujo de la zona convectiva con una temperatura próxima a los 350 ºC. Figura 20. Distribución de la temperatura (ºC) del flujo de gas a lo largo de la zona convectiva para el caso de combustión con aire Pág. 36 La distribución de la temperatura del flujo agua-vapor obtenida en la simulación se puede observar en la Figura 21. Se observa como el flujo de agua/vapor se calienta conforme circula por el economizador y sobrecalentador. Figura 21. Distribución de la temperatura (ºC) del flujo de agua-vapor a lo largo de la zona convectiva para combustión con aire Pág. 37 En la Figura 22 se puede ver el coeficiente de convección para el lado gas. Este tiene un valor en torno los 45-100 W/K m2 en la caja convectiva y unos 45 W/K m2 en el economizador. Posteriormente, se compara con los obtenidos en el caso de oxi-combustión. Figura 22. Coeficiente de convección (W/K m2) del flujo de agua-vapor a lo largo de la zona convectiva para el caso de combustión con aire Pág. 38 En la Figura 23 se muestra el coeficiente de convección del flujo agua-vapor. Este es más alto en el sobrecalentador teniendo un valor en torno a los 1800 W/ K m2 que el economizador, el cual tiene un coeficiente de convección con valor en torno a los 1550 W/ K m2. . Figura 23. Coeficiente de convección (W/k m2) del flujo de agua-vapor a lo largo de la zona convectiva para el caso de combustión con aire Pág. 39 En la Figura 24 se muestra la emisividad del gas. En la caja convectiva se tiene un valor aproximadamente en torno a los 0.14-0.3, mientras que en el economizador se tiene un valor de aproximadamente 0.18. A continuación, se comparan con los correspondientes al caso de oxi-combustión. Figura 24. Emisividad del flujo de gas a lo largo de la zona convectiva para el caso de combustión con aire Pág. 40 6.4. COMPARACIÓN ENTRE EL CASO AIRE Y EL CASO OXI-COMBUSTIÓN En este apartado se comparan el coeficiente de convección en el lado gas y la emisividad de los gases en los casos aire y oxi-combustión. En la Figura 25 se puede ver como el coeficiente de convección del flujo de gas en el caso de oxi-combustión es superior al correspondiente del modo de combustión por aire (en torno a un 30 %). Esto verifica lo que ya se había indicado en el análisis teórico en el capítulo 3. Figura 25. Comparación del coeficiente de convección (W/K m2) del flujo de gas entre los casos de oxi-combustión y combustión con aire Pág. 41 Por otro lado, en la Figura 26 se muestra que la emisividad del flujo de gas para los casos de oxicombustión y combustión por aire. La emisividad de los gases es mayor para el caso de oxicombustión debido a la diferente composición de los gases, tal y como se había indicado en el capítulo 3. Figura 26. Comparación de la emisividad del flujo gas entre los casos de oxi-combustión y combustión con aire Pág. 48 Por otro lado, el coeficiente de convección del flujo de gas apenas varía entre ambos casos, debido a que no varía la composición y a que la variación de temperatura no es lo suficientemente significativa para este coeficiente. En la Figura 30, se puede observar la transferencia de calor en cada elemento de la zona convectiva. Sucede algo similar a lo explicado en el caso de oxi-combustión. En el sobrecalentador y evaporador se incrementa la transferencia de calor en el caso con radiación, mientras que en el economizador, el flujo de gas llega a menor temperatura en el caso con radiación y ello provoca una menor transferencia de calor en ese caso respecto al caso sin radiación. Figura 30. Transferencia de calor (MW) a lo largo de la zona convectiva en el caso aire considerando o no el efecto de la radiación. Pág. 49 7.3. COMPARACIÓN CON OXI-COMBUSTIÓN SECA En este apartado se compara la transferencia de calor entre un caso de oxi-combustión húmeda (descrito anteriormente) y un caso de oxi-combustión seca. La composición de cada caso se indica en la Tabla 20. Composición del gas Unidades Oxi-combustión húmeda Oxi-combustión seca CO2 % masa 71.4 83.08 O2 % masa 3.2 3.72 N2 % masa 3.0 3.5 H2O % masa 21.2 8.30 Ar % masa 1.2 1.4 Tabla 20. Composición del flujo de gases para los casos de oxi-combustión seca y húmeda (en %masa). A continuación se muestra que la Tabla 21 los resultados de los dos casos. Oxi-combustión húmeda Oxi-combustión seca FLUJO GAS Entrada Temperatura (ºC) 910 911 Antes del economizador Temperatura (ºC) 456 457 Salida Temperatura (ºC) 350 346 P (Pa) 378 379 FLUJO AGUA Y VAPOR Economizador Temperatura entrada (ºC) 170,7 170,7 Temperatura salida (ºC) 205,5 205,7 Q intercambiado(MWth) 1 1 Evaporador Temperatura salida (ºC) 241,5 241,5 Q intercambiado(MWth) 4,8 4,7 Sobrecalentador T salida (ºC) 287 288 Q intercambiado(MWth) 1 1,05 Tabla 21. Resultados de la simulación para los casos de aire, oxi-combustión húmeda y oxi-combustión seca Se observa que la transferencia de calor en ambos casos es prácticamente idéntica. Pág. 50 La distribución de temperaturas del gas para cada caso se puede ver en la Figura 31. La temperatura del flujo de gas en el caso de oxi-combustión seca es ligeramente superior cerca de la entrada de la zona convectiva. Sin embargo, esta diferencia es pequeña, tal y como se observa en la Figura 31. Esto, es debido a que la emisividad del flujo de gas es ligeramente superior en el modo de oxicombustión húmeda (Figura 2), mientras que el coeficiente de convección es prácticamente el mismo. Ello provoca un enfriamiento más rápido en la zona de la entrada a la zona convectiva. Figura 31. Temperatura (ºC) del flujo de gas a lo largo de la zona convectiva para los casos de oxi-combustión húmeda y seca Pág. 51 La razón de la diferencia entre ambas emisividades es la diferente composición de los gases. En el caso de oxi-combustión húmeda, la mayor concentración de vapor de H2O, provoca la mayor emisividad del flujo de gases en ese caso. Figura 32. Emisividad del flujo gas para los casos de oxicombustión húmeda y oxi-combustión seca Pág. 52 El coeficiente de convección para cada caso se muestra en la Figura 33. La diferencia entre ambos coeficientes es muy pequeña, apreciándose una mayor diferencia en la zona de la entrada a la zona convectiva. Ello está de acuerdo con lo indicado en el capítulo 3. Figura 33. Coeficiente de convección para los casos de oxi-combustión húmeda y oxi-combustión seca Pág. 53 La distribución de temperaturas del flujo agua-vapor a lo largo de la zona convectiva apenas varía entre los casos de oxi-combustión húmeda y oxi-combustión seca. Esto es debido a la pequeña diferencia que se produce en la transferencia de calor entre ambos casos. La transferencia de que se produce en cada elemento se muestra en la Figura 34. La transferencia total que se produce a lo largo de la zona convectiva es muy similar entre ambos casos. Esta es ligeramente superior en el sobrecalentador en el caso de oxi-combustión seca. Por otro lado, en el economizador se produce prácticamente la misma transferencia de calor en ambos casos, mientras que en el evaporador se produce mayor transferencia de calor en la oxicombustión húmeda. Figura 34. Transferencia de calor (MW) que se produce en el economizador, evaporador y sobrecalentador para los casos de oxi-combustión húmeda y seca Pág. 54 7.4. OTROS CRITERIOS DE DISEÑO 7.4.1. MISMO GASTO MÁSICO DE ENTRADA En este apartado se van a comparar los casos de oxi-combustión húmeda y seca frente a la combustión mediante aire utilizando otro criterio de diseño, diferentes a considerar la misma velocidad de entrada de los gases. En este caso, se va a considerar el mismo flujo de entrada para todos los casos, 23308 kg/h. Los resultados obtenidos se pueden ver en la Tabla 22. Oxi-combustión húmeda Oxi-combustión seca Aire FLUJO GAS Entrada Temperatura (ºC) 912 912 950 Flujo (kg/h) 23308 23308 23308 Antes del economizador Temperatura (ºC) 440 441 420 Salida Temperatura (ºC) 345 344 340 P (Pa) 382 381 235 FLUJO AGUA Y VAPOR Economizador Temperatura entrada (ºC) 170,7 170,7 170,7 Temperatura salida (ºC) 202,5 202,5 192 Q intercambiado(MWth) 0,8 0,8 0,6 Evaporador Temperatura salida (ºC) 238,2 238,2 241 Q intercambiado(MWth) 4,5 4,4 3,8 Sobrecalentador T salida (ºC) 278 278,3 279 Q intercambiado(MWth) 0,7 0,74 0,8 Tabla 22. Resultados obtenidos para los casos de oxi-combustión húmeda, seca y combustión mediante aire considerando el mismo gasto másico de entrada. Pág. 55 La distribución de temperaturas del flujo de gas es similar en estos tres casos. En la Figura 35 se muestra la distribución de temperaturas del flujo de gas para cada uno de los casos. Figura 35. Temperatura (ºC) del flujo de gas para los casos de oxi-combustión húmeda, seca y combustión mediante aire empleando el criterio de diseño de misma temperatura y flujo de entrada Por otro lado, el coeficiente de convección para cada caso se puede ver en la Figura 36. La diferencia entre los coeficientes del modo de oxi-combustión y el modo aire es menos acusada que cuando se considera el criterio de la misma velocidad del flujo de gases a la entrada. Respecto a la emisividad de los gases, la diferencia entre los casos oxi-combustión y aire se mantiene igual en ambos criterios de diseño. Pág. 56 Figura 36. Coeficiente de convección (W/k m2) del flujo de gas para los casos de oxi-combustión húmeda, seca y combustión mediante aire Por último, en la Figura 37 se puede ver la transferencia de calor en cada elemento de la zona convectiva. La transferencia de calor en oxi-combustión ha disminuido respecto al criterio de considerar la misma velocidad de entrada, debido al menor gasto másico. No obstante, sigue siendo superior cuando se compara con la combustión con aire. Figura 37. Transferencia de calor en el economizador, evaporador y sobrecalentador considerando el mismo gasto másico de entrada. Pág. 57 7.4.2. MISMO GASTO MÁSICO Y TEMPERATURA DE ENTRADA En este apartado se comparan los casos de oxi-combustión frente al caso aire utilizando un criterio en el que se considera los mismos gastos másicos y temperaturas de entrada para el flujo de gases. Los valores tomados son valores medios de los utilizados en los casos de validación. Los resultados obtenidos se indican en la Tabla 23. Oxi-combustión húmeda Oxi-combustión seca Aire FLUJO GAS Entrada Temperatura (ºC) 925 925 925 Flujo (kg/s) 27018 27018 27018 Antes del economizador Temperatura (ºC) 458 460 423 Salida Temperatura (ºC) 350,1 347,2 346 P (Pa) 375 377 241 FLUJO AGUA Y VAPOR Economizador Temperatura entrada (ºC) 170,7 170,7 170,7 Temperatura salida (ºC) 205,8 205,9 191,2 Q intercambiado(MWth) 1 1 0,6 Evaporador Temperatura salida (ºC) 241,6 241,6 241 Q intercambiado(MWth) 5 4,9 3,4 Sobrecalentador T salida (ºC) 294 300,3 277 Q intercambiado(MWth) 1,1 1,14 0,7 Tabla 23. Resultados obtenidos para los casos de oxi-combustión húmeda, seca y combustión mediante aire considerando la misma temperatura y flujo de entrada En la Figura 38 se muestra la distribución de temperaturas del flujo de gas para cada uno de los casos. En esta figura se puede ver como el flujo de gases entra a la misma temperatura pero termina enfriándose antes para el modo de combustión mediante aire. Pág. 64 - Misma velocidad de entrada del flujo de gases en la zona convectiva. - Mismo gasto másico de gases de entrada en la zona convectiva. - Misma temperatura y flujo másico de los gases de entrada en la zona convectiva. En estos tres casos se observa que la transferencia de calor es un 15% y un 51% mayor en los casos de oxi-combustión respecto a los correspondientes casos con aire. Los casos con el mismo gasto másico son aquellos en los que la transferencia de calor es más parecida entre el modo oxi-combustión y modo aire. Por lo tanto, el diseño de una zona convectiva para una caldera con oxi-combustión debe tener en cuenta que para condiciones similares de entrada, tendrá mayor transferencia de calor que una zona convectiva de una caldera convencional. Por ello, se deben modificar parámetros de operación, como por ejemplo, gasto másico de vapor o temperaturas de vapor, o parámetros de diseño, como por ejemplo, el área de intercambio. El trabajo realizado en este PFC podría aplicarse, como trabajo futuro, al diseño de zonas convectivas de calderas de centrales térmicas reales.