Medida de la temperatura superficial del carbonizado en combustión mediante pirometría con cámara digital

Trabajo Fin de Master Trabajo Fin de MasterTrabajo Fin de Master Trabajo Fin de Master Medida de la temperatura superficial del carbonizado Medida de la temperatura superficial del carbonizado Medida de la temperatura superficial del carbonizado Medida de la temperatura superficial del carbonizado en combustión mediante pirometría con cámara digital en combustión mediante pirometría con cámara digital en combustión mediante pirometría con cámara digital en combustión mediante pirometría con cámara digital (Measurement of the surface temperature of char in (Measurement of the surface temperature of char in (Measurement of the surface temperature of char in (Measurement of the surface temperature of char in combustion in a fluidized bed by pyrometry with digital combustion in a fluidized bed by pyrometry with digital combustion in a fluidized bed by pyrometry with digital combustion in a fluidized bed by pyrometry with digital camera) camera)camera) camera) by byby by Jesús Sa Jesús SaJesús Sa Jesús Salinero González linero Gonzálezlinero González linero González Tutor: Alberto Goméz Barea Tutor: Alberto Goméz BareaTutor: Alberto Goméz Barea Tutor: Alberto Goméz Barea Departamento de Ingeniería Química y Ambiental Departamento de Ingeniería Química y AmbientalDepartamento de Ingeniería Química y Ambiental Departamento de Ingeniería Química y Ambiental Escuela Superior de Ingenieros Escuela Superior de IngenierosEscuela Superior de Ingenieros Escuela Superior de Ingenieros Universidad de Sevilla Universidad de SevillaUniversidad de Sevilla Universidad de Sevilla Sevilla (España) Sevilla (España)Sevilla (España) Sevilla (España) Junio 2015 Junio 2015Junio 2015 Junio 2015 A mis padres A mis padresA mis padres A mis padres i Resumen ResumenResumen Resumen Debido a las características propias de la combustión en reactores de lecho fluido es muy difícil medir la temperatura superficial del carbonizado durante su conversión. Aunque hay numerosos trabajos en la literatura que han abordado esta cuestión los resultados presentan una amplia dispersión o incluso la temperatura medida no es la superficial. En este Trabajo Fin de Master se presentan algunas modificaciones en la forma tradicional de utilizar pirometría mediante dos colores que permiten medir la temperatura superficial del char en dichos equipos. Para ello, se trabaja en una planta experimental diseñada y construida con este fin. La aplicación de la técnica con las modificaciones propuestas, mejora la precisión de la temperatura calculada y aumenta el rango de temperaturas que pueden ser medidas, incluso a temperaturas inferiores a las del lecho. Además, esta técnica puede revelar detalles que escapan a otras, como la existencia de gradientes térmicos superficiales. La aplicación pirométrica aquí propuesta requiere conocer la emisividad del carbonizado. Sin embargo, esto no es un hándicap ya que, tal y como muestra el análisis del efecto de ésta variable sobre la precisión de la temperatura calculada, una variación del 15 % en su valor (0.85-1) produce errores inferiores al 1 % para temperaturas superiores a la de fondo, y una buena estimación de este parámetro permite medir temperaturas de combustión muy inferiores. iii Abstract AbstractAbstract Abstract Due to the characteristics of combustion in fluidized bed reactors it is very difficult to measure the surface temperature of char during its conversion. Although, there are many papers in the literature which have dealt with this question, the results show a wide distribution and in some cases the measured temperature is not the surface temperature. In this Master Thesis some modifications to the traditional way of using Two-Color Pyrometry (P2C) has been proposed (One Color Pyrometry, P1C), in order to measure the surface temperature of char in such reactor. For doing that, a pilot-scale fluidized bed combustor has been designed and constructed. This design provides the opportunity to visually observe inside the reactor. According to the results, the accuracy of temperature measurement has been improved by P1C. This method is applicable for wider range of temperature and it is even possible to measure temperature lower than the bed temperature. Using P1C, different details such as surface thermal gradients, which cannot be measured by other techniques, are got. In order to use P1C the char emissivity should be known. However, the sensitivity analysis of the measurements in different char emissivity shows that a variation of 15% in emissivity value (0.85 to 1) gives an error lower than 1% when the temperature is higher than that background, while for lower temperature a good estimate of the char emissivity is needed. v Tabla de contenido Tabla de contenidoTabla de contenido Tabla de contenido R RR Resumen esumenesumen esumen I II I A AA Abstract bstractbstract bstract III IIIIII III T TT Tabla de contenido abla de contenidoabla de contenido abla de contenido V VV V A AA Agradecimientos gradecimientosgradecimientos gradecimientos VII VIIVII VII P PP Public ublicublic ublicaciones y presentaciones aciones y presentacionesaciones y presentaciones aciones y presentaciones IX IXIX IX R RR Resumen capitular esumen capitularesumen capitular esumen capitular XI XIXI XI C CC Capítulo apítuloapítulo apítulo 1. I 1. I1. I 1. Introducción ntroducciónntroducción ntroducción 1 11 1 1.1. El futuro de la combustión de los combustibles fósiles sólidos: El carbón 1.2. Captura y almacenamiento de CO 2 en oxi-combustión: Una solución para reducir las emisiones de efecto invernadero 1.2.1. Oxi-combustión en reactores de lecho fluido 1.3. Temperatura de combustió en el desarrollo de las tecnologías de conversión 1.3.1. Medida de la temperatura de combustión en reactores de lecho fluido 1.4. Objetivo y alcance de este trabajo C CC Capítulo apítuloapítulo apítulo 2. M 2. M2. M 2. Metodología y montaje experimental etodología y montaje experimentaletodología y montaje experimental etodología y montaje experimental 7 77 7 2.1. Temperatura superficial de combustión mediante pirometría con cámara digital Resumen capitular xii El trabajo se cierra con dos anexos que recogen la revisión bibliográfica (Anexo I), y el modelo físico completo sobre el que descansa la medida de la temperatura pirométrica mediante cámara digital. 1 Capítulo 1. Introducción Capítulo 1. IntroducciónCapítulo 1. Introducción Capítulo 1. Introducción 1.1. 1.1.1.1. 1.1. El futuro de la combustión de los combustibles fósiles sólidos: El carbón El futuro de la combustión de los combustibles fósiles sólidos: El carbónEl futuro de la combustión de los combustibles fósiles sólidos: El carbón El futuro de la combustión de los combustibles fósiles sólidos: El carbón En la actualidad, más del 75 % de la demanda energética mundial se abastece mediante la conversión de combustibles fósiles, donde la combustión del carbón cubre alrededor del 25 % [1, 2]. Cambiar el modelo energético actual (Fig. 1.1) es un trabajo que llevará varias décadas de esfuerzo por la rigidez característica del sistema de producción y abastecimiento de energía primaria del mundo, que hace que los cambios en el mix energético sean lentos. Un ejemplo de ello es la variación en el consumo mundial de petróleo acontecido desde su primera crisis (1973) hasta nuestros días, donde apenas ha caído un 13 % [2]. Esta propiedad es efecto de las pérdidas económicas de empresas y países que abastecen la demanda energética si se produjese un cambio a corto plazo del mix. Por ello, la creciente demanda energética mundial será abastecida en gran medida mediante la combustión de los combustibles fósiles. En especial la combustión del carbón, que incluso podría aumentar su presencia en el mix energético actual (principal fuente de energía primaria de los países en desarrollo como China) dado su coste y distribución geográfica (mayor seguridad de suministro), [1, 2]. Figura 1.1. Producción por fuentes (a), regiones (b), y demanda (c) de la energía primaria Figura 1.1. Producción por fuentes (a), regiones (b), y demanda (c) de la energía primaria Figura 1.1. Producción por fuentes (a), regiones (b), y demanda (c) de la energía primaria Figura 1.1. Producción por fuentes (a), regiones (b), y demanda (c) de la energía primaria mundial [1, 2] mundial [1, 2]mundial [1, 2] mundial [1, 2] Capítulo 1. Introducción 2 1.2. 1.2.1.2. 1.2. Captura y almacenamiento de CO Captura y almacenamiento de COCaptura y almacenamiento de CO Captura y almacenamiento de CO 2 22 2 en oxi en oxien oxi en oxi- -- -combustión: Una solu combustión: Una solucombustión: Una solu combustión: Una solución para reducir ción para reducir ción para reducir ción para reducir las emisiones de efecto invernadero las emisiones de efecto invernaderolas emisiones de efecto invernadero las emisiones de efecto invernadero Las emisiones de CO 2 asociadas al modelo energético actual han aumentado a lo largo de los años (Fig. 1.2. a), y continuarán haciéndolo a menos que se tomen medidas y emprendan acciones que la reduzcan de manera inmediata. Sin ellas, no será posible estabilizar la concentración de CO 2 atmosférica en los niveles recomendados por los especialistas de 450 ppm, con las repercusiones medioambientales y económicas nefastas a nivel mundial [2, 3]. Las medidas para reducir las emisiones de CO 2 pasan por mejorar la eficiencia de la planta y la separación del CO 2 de los gases de combustión o combustible. La Captura y Almacenamiento de CO 2 (CAC) es una tecnología clave para reducir las emisiones atmosféricas de CO 2 de los principales focos de emisión, como son las plantas de producción de energía eléctrica e instalaciones industriales [2]. Dentro de las tecnologías de captura desarrolladas específicamente para el secuestro y almacenamiento geológico de CO 2 destaca la oxi-combustión (Fig. 1.2. b), proceso de conversión del carbón con una corriente de O 2 puro mezclada con parte de los gases de combustión recirculados (evitando así diluir el CO 2 con el N 2 del aire) que genera una corriente de gases a la salida de la caldera con una alta concentración de CO 2 lista para su secuestro sin necesidad de equipo de captura [4, 5]. La oxi-combustión es una de las propuestas con mayor aumento de la eficiencia neta del proceso (21-35) % gracias a su baja penalización energética (7-13) %, reduciendo la cantidad de contaminantes emitidos a la atmósfera, y permitiendo la disminución del volumen del reactor dado el menor flujo de gases en el interior de la caldera [4-7]. Figura 1.2. a) Emisión de CO Figura 1.2. a) Emisión de COFigura 1.2. a) Emisión de CO Figura 1.2. a) Emisión de CO 2 22 2 asociada a la demanda de energía pr asociada a la demanda de energía prasociada a la demanda de energía pr asociada a la demanda de energía primaria [1, 2], b) imaria [1, 2], b) imaria [1, 2], b) imaria [1, 2], b) representación de la captura de CO representación de la captura de COrepresentación de la captura de CO representación de la captura de CO 2 22 2 mediante oxi mediante oximediante oxi mediante oxi- -- -combustión combustióncombustión combustión Capítulo 1. Introducción 3 1.2.1. 1.2.1.1.2.1. 1.2.1. Oxi OxiOxi Oxi- -- -combustión en reactores de lecho fluido combustión en reactores de lecho fluidocombustión en reactores de lecho fluido combustión en reactores de lecho fluido La tecnología de oxi-combustión puede instalarse en plantas de producción de energía eléctrica construidas y diseñadas para trabajar en combustión con aire mediante la recirculación de parte de los gases de combustión que al diluir el O 2 mantienen condiciones parecidas a las de combustión en la caldera (1ª generación). Aunque el desarrollo de la 1ª generación de oxi-conversores es un avance importante en la reducción de las emisiones de CO 2 , se plantea el reto de aprovechar el potencial de esta tecnología alimentando una mayor concentración de O 2 (2ª generación), mejorando la eficiencia térmica (mayor calor volumétrico generado) y de conversión (mayor concentración de O 2 ), y reduciendo volumen de gases presente en la cámara de combustión. Sin embargo, y pese a los proyectos internacionales que buscan la comercialización de ésta tecnología [8], existen una serie de desafíos que deben ser investigados y resueltos antes de aventurarse a construir una oxi-caldera de 2ª generación. Entre estos retos se encuentra aclarar el efecto que sobre la cinética y el modo de conversión de la partícula de combustible sólido tiene el cambio de la atmósfera de combustión. Además de pensar en cómo extraer una mayor cantidad de energía (calor generado por unidad de volumen) del interior de una caldera con menor volumen que la equivalente en combustión (menor espacio para poner elementos de intercambio de calor como banco de tubos o aletas) [6, 7], o como controlar la temperatura de combustión (la temperatura adiabática de combustión aumenta cuando la conversión se realiza en una atmósfera enriquecida con O 2 ) y trasferencia de calor, que son los principales problemas a los que se enfrenta esta tecnología. Aunque los primeros trabajos realizados en este campo se centraron en reactores de carbón pulverizado (caldera común en la mayoría de las plantas de producción de energía eléctrica) [4, 5], en la pasada década se comenzó el análisis de la aplicación en reactores de lecho fluido de planta piloto mostrando la viabilidad (no existen barreras particulares) en la implementación de la oxicombustión en dichos reactores [9, 10]. Además una característica especialmente positiva en calderas de lecho fluido es la posibilidad de utilizar combustibles de bajo poder calorífico que aparte del beneficio económico y medioambiental (caso de usar residuos o biomasa), presentan una menor temperatura adiabática de combustión, que junto con el mejor control de la temperatura de combustión que brindan la recirculación de sólidos permiten aumentar la concentración de O 2 alimentado, reduciendo la recirculación de los gases de combustión [7]. 1.3. 1.3.1.3. 1.3. T TT Temperatura emperatura emperatura emperatura de combustión de combustión de combustión de combustión en el desarrollo de l en el desarrollo de len el desarrollo de l en el desarrollo de las tecnologías de c as tecnologías de cas tecnologías de c as tecnologías de conversión onversiónonversión onversión El desarrollo de la tecnología de combustión pasa por conocer y controlar los parámetros de los que depende. Uno de los más importantes durante la combustión es la Capítulo 1. Introducción 4 temperatura de la partícula de combustible sólido durante su conversión, que afecta a la eficiencia de equipos, influye en la conversión del combustible, tasa CO-CO 2 producida y emisiones, es uno de los principales parámetros en la transferencia de calor y es clave en los problemas de operación de las calderas por formación de escorias y ensuciamiento [9- 12]. En oxi-combustión la concentración de O 2 presente en la atmósfera de conversión puede dar lugar a velocidades de conversión que hagan que la temperatura de las partículas de carbonizado alcancen niveles inadmisibles produciéndose su fusión [13-15], además de poder producirse aglomeraciones que afecten a la correcta fluidización del reactor [16]. Por ello es clave disponer de medidas precisas y fiables de la temperatura superficial de las partículas de combustible sólido durante su oxi-conversión. 1.3.1. 1.3.1.1.3.1. 1.3.1. Medida de la temperatura de combustión en reactores de lecho fluido Medida de la temperatura de combustión en reactores de lecho fluidoMedida de la temperatura de combustión en reactores de lecho fluido Medida de la temperatura de combustión en reactores de lecho fluido Dada la importancia de la temperatura de combustión sobre el desarrollo, control y conocimiento de las tecnologías de combustión (conversión) existen numerosos trabajos en la literatura y métodos (técnicas) de medida desarrolladas hasta la actualidad (Anexo I). Dentro del campo de la combustión en reactores de lecho fluido se han utilizado técnicas de contacto como pueden ser los termopares para conocer la temperatura de la partícula de combustible durante su conversión [13-20]. Sin embargo, debido a la naturaleza intrusiva, la degradación que pueden sufrir en ambientes duros de reacción, y las medidas puntuales que presentan los métodos de contacto, se utilizan técnicas ópticas para evitar dichas desventajas dando lugar a las tecnologías de no-contacto basadas exclusivamente en la captura e interpretación de la radiación térmica. Una de las técnicas de no-contacto más utilizadas es conocida como pirometría óptica [21-28]. La captura de la radiación térmica puede realizarse bien mediante sonda óptica [21-25] o cámara digital [26-28]. Mediante la utilización de una sonda inmersa en un lecho fluido se ha medido el exceso de la temperatura de partículas de char o carbón sobre la del lecho, e incluso se ha estimado el tamaño de la partícula de combustible [23-25]. Sin embargo, es una técnica con resultados dispersos que los hace difícil de interpretar. Ello es debido a la dependencia del resultado con la fracción del campo de visión de la sonda ocupado por el combustible (función de la distancia entre ambas, y del tamaño de la partícula en cada instante), y la frecuencia con que son observadas las partículas de combustible (solo cuando atraviesan en campo de visión). Además, la temperatura calculada es la media de los cuerpos presentes en el campo de visión (Fig. 1.3. a). El uso de un equipo digital para capturar e interpretar la radiación salva este inconveniente, ya que la radiosidad de una región del espacio que irradia un pixel, se ve afectada de forma despreciable por la radiosidad de las regiones adyacentes (Fig. 1.3. b). Mediante pirometría Capítulo 1. Introducción 5 con cámara digital se ha medido el campo de temperatura del interior de un reactor de lecho fluido generado durante la fluidización y combustión de una mezcla aire-propano [28]. Recientemente, también se ha aplicado esta técnica para analizar el efecto que el cambio en la atmósfera de conversión de la oxi-combustión produce sobre la temperatura de llama (combustión de los volátiles) [15]. Incluso se han empleado cámaras térmicas infrarrojas para estudiar la trasferencia de calor y los perfiles de temperaturas existentes entre las partículas sólidas del lecho y el gas de fluidización [29-31]. Estos trabajos muestran el potencial que tiene la captura mediante equipo digital para revelar detalles que escapan a otras técnicas como por ejemplo la existencia de gradientes térmicos superficiales en el carbonizado (combustión superficial no uniforme) o revelar detalles sobre la trasferencia de calor entre las partículas, reactor, y agente de fluidización. Figura 1.3. Campo de visión asociado a una sonda óptica (a) [23], y cámara digital (b) Figura 1.3. Campo de visión asociado a una sonda óptica (a) [23], y cámara digital (b)Figura 1.3. Campo de visión asociado a una sonda óptica (a) [23], y cámara digital (b) Figura 1.3. Campo de visión asociado a una sonda óptica (a) [23], y cámara digital (b) 1.4. 1.4.1.4. 1.4. Objetivo y alcance de este trabajo Objetivo y alcance de este trabajoObjetivo y alcance de este trabajo Objetivo y alcance de este trabajo Este Trabajo Fin de Master (TFM) se desarrolla dentro del proyecto del plan nacional OXICOGAS 2G cuyo objetivo general es generar el conocimiento necesario para el desarrollo de oxi-conversores de 2ª generación en lecho fluido [32]. En particular, éste proyecto busca identificar la máxima concentración de O 2 que es posible alimentar al equipo manteniendo niveles admisibles en la temperatura del lecho y del carbonizado durante su conversión. Por ello, es vital disponer de medidas fiables y precisas de la temperatura de combustión de la partícula de char durante su conversión. La precisión de la temperatura calculada mediante pirometría no solo es función de las simplificaciones e hipótesis de la física del problema, sino además de los parámetros ópticos y electrónicos del equipo de captura e interpretación de la radiación [15, 25, 33]. En la Capítulo 1. Introducción 6 literatura pueden encontrarse trabajos que analizan dicha precisión cuando la radiación es capturada mediante sonda óptica [25, 33-35]. Sin embargo, se ha publicado poco cuando la captura se realiza mediante un equipo digital [27]. Por otro lado, los trabajos analizados en la literatura que utilizan pirométrica aplican la técnica mediante dos o más bandas espectrales (colores) debido a que el uso de más de un color permite obtener la temperatura de la superficie emisora bajo la suposición de comportamiento gris, mientras que el uso de un único color necesita el valor de la emisividad. Y el estudio de la literatura revisado en el punto anterior (desarrollado en detalle en el Anexo I) muestra que aún no se ha medido de manera precisa y fiable la temperatura superficial de partículas de carbonizado durante su conversión en un reactor de lecho fluido. Por ello el principal objetivo de este trabajo es presentar la aplicación de la técnica pirométrica con cámara digital para determinar la temperatura superficial del carbonizado durante su conversión en un reactor de lecho fluido. Para ello: 1) Se analiza como la mínima y máxima radiación que es capaz de detectar el sensor afecta a la precisión de la temperatura pirométrica calculada. 2) Se valida la técnica utilizando una única banda espectral (color) comparando la temperatura superficial pirométrica frente a la medida por un termopar en partículas de carbonizado de madera de Haya durante su combustión en el interior de un horno eléctrico. Además, se analiza la sensibilidad del resultado respecto la emisividad asumida en el cálculo. 3) Se presenta la aplicación de la técnica pirométrica midiendo la temperatura de las partículas de char durante su combustión en un reactor de lecho fluido 7 Capí CapíCapí Capítulo 2. Metodología y montaje experimental tulo 2. Metodología y montaje experimentaltulo 2. Metodología y montaje experimental tulo 2. Metodología y montaje experimental 2.1. 2.1.2.1. 2.1. Temperatura superficial de combustión mediante pirometría con cámara digital Temperatura superficial de combustión mediante pirometría con cámara digitalTemperatura superficial de combustión mediante pirometría con cámara digital Temperatura superficial de combustión mediante pirometría con cámara digital La medida de la temperatura mediante pirometría se basa en la captura e interpretación de la radiación térmica emitida por el cuerpo cuya temperatura se quiere conocer. Dicha captura e interpretación puede realizarse mediante un equipo digital, como una video cámara o una cámara fotográfica, donde cada uno de los pixeles del sensor proporcionan tres valores función de la radiación térmica que reciben de la escena visualizada pertenecientes a las bandas espectrales (colores) roja, verde y azul [27]. Esos números son conocidos como números digitales (DN k ), y se accede a ellos con un programa de tratamiento de imágenes, como por ejemplo MATLAB, que genera tres matrices, donde cada elemento (m,n) contiene el número digital asociado a la radiación que recibe de la escena visualizada el pixel (m,n). Los trabajos encontrados en la literatura que miden la temperatura mediante pirometría, utilizan simultáneamente la información contenida en dos colores o bandas espectrales (Pirometría en dos colores, P2C) [21-28, 33-36]. Éste uso simultaneo permite determinar la temperatura con la única hipótesis de comportamiento gris para el combustible, y siempre que la temperatura sea superior a la de alrededor (ec. 2.1, y Anexo II). Sin embargo, utilizando un color (Pirometría en un color, P1C) también es posible calcularla, incluso cuando la temperatura es inferior a la de alrededor, si la emisividad es conocida (ec. 2.2, y Anexo II). Figura 2.1. Diagrama de bloques del algoritmo que permite determinar la temperatura Figura 2.1. Diagrama de bloques del algoritmo que permite determinar la temperatura Figura 2.1. Diagrama de bloques del algoritmo que permite determinar la temperatura Figura 2.1. Diagrama de bloques del algoritmo que permite determinar la temperatura pirométrica. pirométrica.pirométrica. pirométrica. Capítulo 2. Metodología y montaje experimental 8 (ec. 2.1) T ,               ,     ec.2.2$ T %,&    ' ( )* (  +, ( - –// ,( 01 ( %2 , $3∆' ( ,5 6 $778 Tanto para aplicar P2C (ec. 2.1), como P1C (ec. 2.2), y obtener la temperatura de la escena visualizada cuya radiación se captura, irradia e interpreta cada pixel del sensor del equipo digital mediante los números digitales de cada fotograma, es necesario conocer el valor del parámetro de calibración β (β P2C, ij y β P1C, k ). Éste parámetro se puede estimar mediante curvas de ajuste obtenidas mediante ensayos previos de calibración. En estos ensayos se ajustan los puntos: [ln(DN i /DN j )-ln(β P2C,ij )] para P2C, y [ln(DN k )-ln(β P1C,k )] para P1C, obtenidos al sustituir en las ec. 2.3 y ec. 2.4 la temperatura asociada a la región superficial cuya radiación mensuran los pixeles asociados a ésta mediante los números digitales (ver p to 2.2.1). De esta manera las curvas obtenidas (polinomios) almacenan la relación existente entre los números digitales y el parámetro de calibración dentro del intervalos de temperatura de interés (Anexo II, punto AII 4) [15]. En la figura 2.1 aparece el diagrama de bloques del proceso que permite medir la temperatura por P2C, y P1C. (ec. 2.3) lnβ ,    5  % '  < % '  =5∗ln/ '  '  7<ln 01  01   (ec. 2.4) lnβ %,& lnΦ & ε B    ' ( - exp/<   ' E 5 7=1<ε B $E∆λ & ,T I $<lnDN & $ Figura 2.2. Equipos experimentale Figura 2.2. Equipos experimentaleFigura 2.2. Equipos experimentale Figura 2.2. Equipos experimentales (a), y montaje (b) para la realización de los ensayos s (a), y montaje (b) para la realización de los ensayos s (a), y montaje (b) para la realización de los ensayos s (a), y montaje (b) para la realización de los ensayos de combustión del carbonizado de combustión del carbonizadode combustión del carbonizado de combustión del carbonizado Capítulo 2. Metodología y montaje experimental 9 2.2. 2.2.2.2. 2.2. Montaje experimental Montaje experimentalMontaje experimental Montaje experimental El montaje experimental utilizado para calibrar y validar la temperatura pirométrica con cámara digital, así como para mostrar su aplicabilidad en combustión en lecho fluido, se muestra en la Fig. 2.2. Consiste en un horno eléctrico, con una cámara de alta temperatura (50 cm x 70 cm x 30 cm) equipada con una superficie que homogeniza la temperatura y la radiación procedente de las resistencias eléctricas (11 KW). La superficie homogeneizadora es una chapa metálica de acero 310 con comportamiento ideal negro (pintada con pintura negra resistente a 1050 o C). A su vez, el horno dispone de una ventana de cuarzo (195 mm x 195 mm) que permite observar y realizar medidas ópticas de su interior. La combustión en lecho fluido se realiza en un reactor con paredes de cuarzo (transparente a la radiación térmica en la banda espectral visible) en la zona correspondiente al bottom y freeboard. Éste se sitúa en el centro del horno eléctrico rodeado por la superficie negra homogeneizante. La geometría del reactor es de carácter bidimensional (18 cm x 50 cm x 1.8 cm) en aras de obtener el mayor número de imágenes de la partícula de carbonizado posible. El equipo de captura e interpretación de la radiación térmica empleado es una video cámara JVC Everio HD equipada con un sensor CMOS de 2 Megapíxeles de resolución, situada a una distancia de trabajo (WD) de 100 cm, con ángulo de visión (FOV) de 24 o que se mantuvieron constantes en todos los ensayos. Los equipos se situaron en una habitación oscura para asegurar que la única radiación que alcanza el sensor es la radiada por la superficie del carbonizado durante su combustión y el fondo (Fig. 2.2 b). La tabla 2.1 recoge las principales características de los equipos que componen el montaje experimental descrito. Tabla 2.1 Equipos experimentales Tabla 2.1 Equipos experimentalesTabla 2.1 Equipos experimentales Tabla 2.1 Equipos experimentales Equipo Características Horno eléctrico - Potencia eléctrica: 11 KW - Cámara de alta temperatura: 50 cm x 70 cm x 30 cm - Ventana de cuarzo: 19.5 cm x 19.5 cm Reactor de lecho fluido - 18 cm x 50 cm x 1.8 cm - Fabricado en cuarzo Cámara digital - JVC Everio HD - 2 Megapíxeles - WD (100 cm), FOV (24 o ) 2.2.1. 2.2.1.2.2.1. 2.2.1. Calibración y validación de la temperatura pirométrica con cámara digital Calibración y validación de la temperatura pirométrica con cámara digitalCalibración y validación de la temperatura pirométrica con cámara digital Calibración y validación de la temperatura pirométrica con cámara digital En cada ensayo de calibración y validación se llevó a cabo la combustión aislada (sin reactor de lecho fluido) de una partícula de char de madera de haya (12 mm de diámetro Capítulo 3. Resultados y discusión 16 a su máximo valor, Fig. 3.1 a), y P1C R no puede mensurar una temperatura (radiación) mayor a esa (mínima que satura los pixeles). La temperatura medida mediante la banda espectral verde (P1C G), presenta un límite inferior en 700 o C debido a la debilidad de la radiación capturada e interpretada en ese color (DN g < 1) a esa temperaturas e inferiores. Es a partir de esa temperatura (radiación) cuando P1C G presenta una buena precisión hasta los 950 o C, donde se produce la saturación en ese color. La temperatura medida usando simultáneamente los colores rojo y verde (P2C RG, Fig. 3.4) tiene limitada su aplicación a temperaturas mayores a la de fondo (Anexo II) y permite medir con precisión hasta la temperatura (radiación) que produce la saturación del verde (950 o C, Fig. 3.1. b). Por otro lado, si se compara las medidas por P1C G y P2C RG (Fig. 3.5) se observa la similitud entre ellas. Este comportamiento es debido a la saturación producida por la radiación perteneciente a al rojo (DN r a su máximo valor) mientras que los números digitales asociados al verde (DN g ) continúan mensurando la radiación. Es decir, aunque la técnica pirométrica en dos colores relaciona las medidas de la radiación perteneciente a dos bandas espectrales, una vez la radiación perteneciente a la banda espectral de mayores longitudes de onda satura los números digitales asociados, los número digitales de la banda de menores longitudes de onda son los que asumen la responsabilidad de la medida. Fig FigFig Figura 3.5. Temperatura pirométrica usando simultáneamente el color rojo y verde (P2C ura 3.5. Temperatura pirométrica usando simultáneamente el color rojo y verde (P2C ura 3.5. Temperatura pirométrica usando simultáneamente el color rojo y verde (P2C ura 3.5. Temperatura pirométrica usando simultáneamente el color rojo y verde (P2C RG), y su comparación con el uso exclusivo del verde (P1C G) RG), y su comparación con el uso exclusivo del verde (P1C G) RG), y su comparación con el uso exclusivo del verde (P1C G) RG), y su comparación con el uso exclusivo del verde (P1C G) Si se combinan las medidas de temperaturas obtenidas mediante P1C R y P1C G se aumenta la precisión y el rango de temperaturas que puede ser medido mediante pirometría con cámara digital respecto del obtenido mediante P2C. El resultado se muestra en la Fig. 3.6, donde se ha utilizado la curva de calibración de P1C R hasta que DN r indica que la radiación recibida en la banda espectral roja está cerca de la de saturación (DN r ~ 245). Una vez alcanzado éste valor, el algoritmo calcula la temperatura haciendo uso de Capítulo 3. Resultados y discusión 17 la curva de ajuste de P1C G. Es decir, mientras P2C utiliza de forma simultanea la información contenida en las bandas espectrales roja y verde, el algoritmo propuesto en este trabajo (P1C R-G) las emplea de forma secuencial en función del valor DN r . Figura 3.6. Temperatura pirométrica usando secuencialmente los colores rojo y verde Figura 3.6. Temperatura pirométrica usando secuencialmente los colores rojo y verde Figura 3.6. Temperatura pirométrica usando secuencialmente los colores rojo y verde Figura 3.6. Temperatura pirométrica usando secuencialmente los colores rojo y verde (P1C R (P1C R(P1C R (P1C R- -- -G) o simultáne G) o simultáneG) o simultáne G) o simultáneamente (P2C RG) amente (P2C RG)amente (P2C RG) amente (P2C RG) La precisión de ambos métodos (P1C R-G y P2C RG) es muy similar dentro del rango de temperatura más interesante durante la combustión en lecho fluido (800-950) o C. Sin embargo, la temperatura superficial del carbonizado durante su oxi-conversión podría ser superior a la máxima temperatura medida en este trabajo 950 o C (función de las características ópticas y electrónicas de la cámara digital, y de las condiciones de trabajo empleadas (WD, FOV)). Una solución podría ser utilizar la información contenida en los números digitales azules (P1C B), que mensuran la radiación perteneciente a dicha banda espectral. La Fig. 3.7 a, muestra el resultado de usar la información contenida en el azul, incluso sin estar el verde saturado, validando la solución propuesta por su buena precisión en la medida. Otra solución sería usar simultáneamente los colores verde y azul (P2C GB) de forma que el algoritmo de cálculo cambiase de P2C RG a P2C GB en función del valor DN r /DN g . Aunque como muestra la Fig. 3.7 b, el cambio se debe hacer cuando DN r /DN g esté cerca de su mínimo valor (saturación en ambas bandas espectrales), ya que si se realiza el cambio a valores superiores, el sensor apenas detecta la radiación perteneciente al color azul y el valor correspondiente a DN g /DN b no llega a reflejarse en β P2C, gb (ec. 3.3) disminuyendo la precisión del resultado. (ec. 3.3)  01 R 01 S  % ~1000≫ 01 R 01 S   ~10→ln 01 R 01 S  % ~ln 01 R 01 S   →lnβ ,XY  % ~lnβ ,XY   Capítulo 3. Resultados y discusión 18 Figura 3.7. Temperatura pirométrica (a) usando secuencialmente los colores verde y azul Figura 3.7. Temperatura pirométrica (a) usando secuencialmente los colores verde y azul Figura 3.7. Temperatura pirométrica (a) usando secuencialmente los colores verde y azul Figura 3.7. Temperatura pirométrica (a) usando secuencialmente los colores verde y azul (P1C G (P1C G(P1C G (P1C G- -- -B), y (b) usando simultáneamente rojo B), y (b) usando simultáneamente rojoB), y (b) usando simultáneamente rojo B), y (b) usando simultáneamente rojo- -- -verde (P2C RG) y verde verde (P2C RG) y verdeverde (P2C RG) y verde verde (P2C RG) y verde- -- -azul (P2C GB) azul (P2C GB)azul (P2C GB) azul (P2C GB) Como muestra el análisis del error relativo (ec. 3.4) presentado en la Fig. 3.8, el empleo secuencial de la información contenida en la banda espectral roja y verde (P1C R-G) proporciona un método más fiable y preciso para determinar la temperatura superficial durante la conversión de un combustible sólido, en detrimento del uso tradicional y simultaneo de dos colores. Además, el análisis de todos los pixeles de la imagen mediante la técnica propuesta (P1C R-G) permite detectar la existencia de gradientes térmicos superficiales que escapan a otras técnicas (Anexo I), pudiendo revelar detalles sobre la trasferencia de calor entre las partículas, reactor y agente de fluidización (Fig. 3.9). (ec. 3.4) ζ 2 %$=100 \5 ]^R_`abR 5 R`_^cR,b 2$\ 5 ]^R_`abR Figura 3.8. Error relativo de la temperatura pirométrica mediante P1C R Figura 3.8. Error relativo de la temperatura pirométrica mediante P1C RFigura 3.8. Error relativo de la temperatura pirométrica mediante P1C R Figura 3.8. Error relativo de la temperatura pirométrica mediante P1C R- -- -G y P2C RG. G y P2C RG.G y P2C RG. G y P2C RG. Capítulo 3. Resultados y discusión 19 Figura 3.9. Temperatura pirométrica del carbonizado de Haya en combustión Figura 3.9. Temperatura pirométrica del carbonizado de Haya en combustiónFigura 3.9. Temperatura pirométrica del carbonizado de Haya en combustión Figura 3.9. Temperatura pirométrica del carbonizado de Haya en combustión 3.1.1. 3.1.1.3.1.1. 3.1.1. Estudio del efecto del valor Estudio del efecto del valor Estudio del efecto del valor Estudio del efecto del valor de la emisividad sobre la temperatura de la emisividad sobre la temperatura de la emisividad sobre la temperatura de la emisividad sobre la temperatura pirométrica pirométricapirométrica pirométrica Tal y como se menciona en el Cap. 2 (ec. 2.1), para poder aplicar P1C es necesario conocer la emisividad de la superficie. La emisividad depende de la temperatura y longitud de onda [39], y suponer un valor constante dentro de la banda espectral y rango de temperaturas de trabajo puede producir una disminución inadmisible en la precisión de la temperatura. Del estudio de la literatura [21-25, 27, 33, 40, 41], se concluye que la emisividad de una partícula sólida de char, dentro de las bandas espectrales roja-verde-azul (0.49-0.7) µm [42], y las temperaturas manejadas durante la combustión (600-950) o C, oscila entre los 0.85 y 1. Para evaluar el efecto que el valor de la emisividad tiene sobre la temperatura calculada por P1C, en la Fig. 3.10 a, se muestra la temperatura pirométrica calculada variando el valor de la emisividad (0.85-1) en el algoritmo de cálculo (no en el de calibración) en uno de los ensayos de validación realizado (141 fotogramas). Como se observa en la figura, las diferencias entre la temperatura pirométrica y la medida del termopar no son significativas a temperaturas mayores a la de fondo, es decir, cuando la radiación reflejada es despreciable [43]. Sin embargo, para temperaturas superficiales del carbonizado inferior a la de fondo la radiación reflejada puede no ser despreciable y el error asociado a la emisividad puede ser inadmisible, tal y como muestra la Fig. 3.10 b, donde se evalúa el error cometido mediante el error relativo entre la temperatura calculada por P1C R-G-B y la dada por el termopar: (ec. 3.7) ζ 2 %$100 \5 ]^R_`abR 5 defeg (2)\ 5 ]^R_`abR  800 850 900 950 T (ºC) Termopar Capítulo 3. Resultados y discusión 20 A la luz del resultado (Fig. 3.10), y teniendo en cuanta los valores de la emisividad del carbonizado reportados por la literatura, parece razonable suponer un valor de la emisividad de 0.9-0.95, ya que permite medir temperaturas con una incertidumbre inferior al 2.5 %. Figura 3.10. Temperatura superficial pirométrica ( Figura 3.10. Temperatura superficial pirométrica (Figura 3.10. Temperatura superficial pirométrica ( Figura 3.10. Temperatura superficial pirométrica (P1C R P1C RP1C R P1C R- -- -G GG G) para diferentes valores de la ) para diferentes valores de la ) para diferentes valores de la ) para diferentes valores de la emisivida emisividaemisivida emisividad d d dd d d del carbonizado (a), y el error el carbonizado (a), y el error el carbonizado (a), y el error el carbonizado (a), y el error a temperaturas menores a la de fondo (800 a temperaturas menores a la de fondo (800 a temperaturas menores a la de fondo (800 a temperaturas menores a la de fondo (800 o oo o C) C)C) C) Figura 3.11. Desviación de la temperatura pirométrica en función del valor Figura 3.11. Desviación de la temperatura pirométrica en función del valor Figura 3.11. Desviación de la temperatura pirométrica en función del valor Figura 3.11. Desviación de la temperatura pirométrica en función del valor Φ k (ec. 3.5) (ec. 3.5)(ec. 3.5) (ec. 3.5) Por otro lado, el método propuesto en este trabajo depende de la simplificación (ec. 3.5) Φ & h i  - jkl/  ] 7 ∆( m'  ( - jkl  E]   que asume que Φ k es independiente de la temperatura (600-950) ºC y de la longitud de onda dentro de las bandas espectrales roja, verde y azul. La precisión de esta simplificación Capítulo 3. Resultados y discusión 21 es evaluada mediante la desviación de la temperatura pirométrica calculada mediante Φ & respecto de la calculada con Φ k (T P1C R-G-B ) (ec. 3.6) n * (%)=100 \5  * ( (5  )5  (* ( o o o o o )\ 5  * ( (5  )  El resultado (Fig. 3.11) valida la simplificación realizada al ser despreciable la diferencia entre usar un valor medio para Φ k y su valor exacto a una temperatura dada. 3.2. 3.2.3.2. 3.2. Aplicación AplicaciónAplicación Aplicación para la medida de temperatura pirométrica para la medida de temperatura pirométricapara la medida de temperatura pirométrica para la medida de temperatura pirométrica en lecho fluido en lecho fluidoen lecho fluido en lecho fluido El principal objetivo del este Trabajo Final de Master es desarrollar una técnica de medida de temperaturas superficiales de combustión y mostrar su aplicabilidad sobre un reactor de lecho fluido. Una vez realizada la primera parte (desarrollo de la técnica), se mide la temperatura superficial de combustión mediante pirometría de una partícula de carbonizado alimentada y suspendida sobre el lecho fluido, y se comparan con las temperaturas del interior de la partícula medidas mediante un termopar (Fig. 2.5). El resultado (Fig. 3.12) muestra la evolución temporal de la temperatura superficial pirométrica media, máxima y mínima, e interior del carbonizado. La figura muestra como al comienzo de la combustión (primeros 40 segundos) el calor generado en el frente de reacción se emplea en calentar la partícula de combustible (aumenta su energía interna) y la temperatura superficial es superior a la interna. Después de este periodo, la temperatura interna supera la superficial alcanzando un valor máximo sobre los 950 o C en el cual se mantiene mientras el calor generado compensa las perdidas por convección y radiación con el lecho. Hacia el final de la conversión la menor tasa de reacción (kg/s) y por tanto el menor calor generado, y las pérdidas por convección (r c -->0) marcan que la diferencia de temperaturas superficiales e interiores se vayan reduciendo. Figura 3 Figura 3Figura 3 Figura 3.12. .12. .12. .12. Evolución temporal de la temperatura interna y superfic Evolución temporal de la temperatura interna y superficEvolución temporal de la temperatura interna y superfic Evolución temporal de la temperatura interna y superficiales del iales del iales del iales del carbonizado durante su combustión en reactor de lecho fluido carbonizado durante su combustión en reactor de lecho fluidocarbonizado durante su combustión en reactor de lecho fluido carbonizado durante su combustión en reactor de lecho fluido 0 100 200 300 400 500 600 600 650 700 750 800 850 900 950 1.000 t(s) T(ºC) T interna (termopar) T med P1C RGB T max P1C RGB T min P1C RGB Capítulo 3. Resultados y discusión 22 Los perfiles de temperaturas de combustión obtenidos (interna, superficial media, máxima y mínima) y mostrados en la Fig. 3.12 están fuertemente influenciados por la restricción del movimiento que produce el termopar, y no deben sacarse conclusiones sobre la combustión de la partícula. Sin embargo, los resultados muestran la aplicabilidad de la pirometría con cámara digital para determinar la temperatura superficial del carbonizado durante su combustión en lecho fluido, incluso la posibilidad de detectar gradientes térmicos superficiales si la acción del coadyuvante los produjese. 23 Capítulo 4. Conclusiones Capítulo 4. ConclusionesCapítulo 4. Conclusiones Capítulo 4. Conclusiones En este Trabajo Fin de Master (TFM) se ha medido la temperatura superficial del carbonizado durante su combustión en un reactor de lecho fluido mediante pirometría con cámara digital. Para ello, se trabajó en una planta experimental diseñada y construida específicamente con éste fin, en la cual se realizaron dos tipos de ensayos de combustión de partículas de carbonizado de Haya: combustión aislada en el interior de un horno eléctrico, y combustión en un reactor de lecho fluido. De los primeros ensayos se obtuvo la calibración del equipo de captura e interpretación de la radiación, y con la información obtenida se midió la temperatura superficial del char durante su combustión con la intención de validar las modificaciones sobre la aplicación tradicional de la técnica pirométrica en dos colores. En estos ensayos se puso a punto la técnica de medida que se usó en los ensayos de combustión en lecho fluido. En todos los ensayos de combustión aislada se situó un termopar en la superficie del carbonizado, el cual permitió comparar su medida con la proporcionada por la técnica pirométrica. Gracias a éste montaje, además de la calibración de la cámara digital, se analizó como los números digitales (números que modelan la radiación térmica que recibe el sensor de la escena visualizada en las bandas espectrales roja, verde y azul) afectan a la precisión de la temperatura calculada. Se encontró que la utilización de una única banda espectral o color (P1C) está limitada a la temperatura (radiación) mínima que el sensor puede detectar, y máxima que produce la saturación en ese color. Para la configuración empleada en éste trabajo fin de master, resultaron ser de (600-800) o C para P1C R, y (725- 925) o C para P1C G. Por su parte, el uso simultáneo de los colores rojo y verde (P2C) tuvo limitada su aplicación a temperaturas mayores a la de fondo (800 o C), hasta la temperatura (radiación) que produce la saturación de la banda espectral verde (950) o C. Se encontró que la aplicación tradicional en dos colores (P2C) pasa a ser controlada por la radiación perteneciente a la banda espectral verde una vez el número digital asociado al rojo alcanza su máximo valor. Es decir, aunque la técnica relaciona las medidas de la radiación perteneciente a dos bandas espectrales, una vez la radiación perteneciente a la banda espectral de mayor longitud de onda (roja) se satura, los números digitales asociados a la banda de menor longitud de onda (verde) son los que asumen la responsabilidad de la Capítulo 4. Conclusiones 24 medida. Por ello, se propuso el uso secuencial de la información contenida en las bandas espectrales roja y verde (P1C RG) para calcular la temperatura pirométrica. De esta forma, se aumenta el rango de temperatura y la precisión de la temperatura medida con pirometría, y se puede, medir temperatura superficiales inferiores a la de fondo. La máxima temperatura medida bajo las condiciones experimentales de éste trabajo (950 o C) no es una limitación al método de medida propuesto (uso secuencial de la información contenida en las bandas espectrales en lugar de simultaneo), pues el uso de la información contenida en la banda espectral azul aumenta el rango de temperatura que pueden ser medido con precisión, incluso a temperaturas de combustión superiores a las que previsiblemente se alcancen durante la oxi-combustión en lecho fluido. Ello permite disponer de una técnica (P1C RGB) que además de medir con un error inferior al 3 % el rango de temperatura más importante en aplicaciones de combustión de lecho fluido, perimirá estudiar la temperatura de oxi-combustión. Por otro lado, la aplicación de pirometría con cámara digital ha demostrado detectar detalles difícilmente identificables mediante otras técnicas, como la existencia de gradientes térmicos superficiales que revelan información sobre la forma y evolución de la combustión. La desventaja de utilizar la información contenida en las bandas espectrales roja, verde, y azul de forma secuencial (P1C RGB) es que la emisividad superficial del carbonizado debe conocerse, y suponer un valor constante de ésta puede disminuir la precisión de la temperatura pirométrica. Sin embargo, el análisis del efecto que el valor de la emisividad tiene sobre la temperatura medida por P1C ha mostrado no ser importante cuando la temperatura superficial del carbonizado es superior a la de fondo (radiación reflejada despreciable). Sin embargo, cuando la temperatura superficial del carbonizado es inferior a la de fondo, el valor de la emisividad puede producir errores inadmisibles, y es clave una buena estimación de éste. Dentro de los valores asociados a la emisividad del carbonizado por la literatura (0.85-1), se concluye que una razonable estimación puede estar entre 0.9- 0.95. Trabajo futuro Trabajo futuroTrabajo futuro Trabajo futuro Este Trabajo Fin de Master ha presentado algunas modificaciones en la forma de utilizar pirometría que mejoran la precisión de la temperatura calculada y aumenta el rango que puede ser medido, incluso permitiendo medir temperaturas que son menores a las de fondo. Por otro lado, se ha presentado un arreglo experimental que permite medir la temperatura superficial del carbonizado durante su combustión en un reactor de lecho fluido mediante pirometría. Capítulo 4. Conclusiones 25 Este estudio constituye uno de los pasos del proyecto OXICOGAS 2G [32] que busca aclarar el efecto que el cambio de la atmósfera de combustión (N 2 -O 2 vs O 2 -CO 2 ) tiene sobre el proceso de conversión, buscando encontrar la máxima concentración de O 2 que es posible alimentar al reactor manteniendo el correcto funcionamiento del mismo y evitando la fusión de las partículas de combustible. Por ello, y una vez puesto a punto la técnica de medida de temperatura el siguiente paso es realizar pruebas para cuantificar el efecto que sobre la temperatura superficial del carbonizado tiene: (i) la concentración de O 2 en la corriente de fluidización, (ii) la velocidad de fluidización, (iii) la temperatura de operación (lecho de arena), (iv) el tamaño (diámetro) de la partícula alimentada, (v) el tipo de combustible (Antracita, bituminoso, sub-bituminoso, lignito o Madera), y (vi) el tamaño del batch de partículas alimentadas. Referencias 32 [37] S.S. Zabrodsky, Compound heat exchange between a high temperature gas-fluidized bed and a solid surface, International Journal of Heat and Mass Transfer, Volume 16, Issue 2, February 1973, Pages 241-248 [38] M. Planck. “Distribution of energy in the Spectrum”, Annals of Physics, Vol. 4 No. 3, 1901, pp. 553-563 [39] F. P. Incropera and David P. De Witt. Radiation: Properties and proccesses. In: Frank P. Incropera and David P. De Witt, Fundamentals of heat and mass. Prentice hall, México, 1999. pp, 633-716 [40] J. C. Roscoe, A. R. Witkowski, and D. Harrison. The temperature of coke particles in a fluidized combustor. Trans. IChemE 58:69 (1980) [41] I. B. Ross, M. S. Patel, and J. F. Davidson. The temperatures of burning carbon particles in fluidized beds. Trans. IChemE 59:83 (1981) [42] E. Gómez González. Guía para conocer las cámaras de fotografía digital. ed. Victoria 2012, pp 503 [43] J. Salinero, A. Goméz-Barea, B. Leckner, M. Tripiana, C. Bu, E. Gómez-González.: Improving char temperature measurement by pyrometry with digital camera. Proceedings of 22 nd International Conference on Fluidized Bed Conversion. June (14- 17), 2015, Turku (Finland) [44] J. G. Yates, and P. R. Walker,(1978) ‘Particle temperatures in a fluidised bed combustor’, Fluidization (eds. Davidson, J. F. and Keairns, D. L.), Cambridge University Press, Cambridge, 241–245 33 Anexo I. Revisión de las técnicas de medida de la temperatura Anexo I. Revisión de las técnicas de medida de la temperatura Anexo I. Revisión de las técnicas de medida de la temperatura Anexo I. Revisión de las técnicas de medida de la temperatura de las partícula de las partículade las partícula de las partículas de combustible sólido durante su conversión en s de combustible sólido durante su conversión en s de combustible sólido durante su conversión en s de combustible sólido durante su conversión en reactores de lecho fluido reactores de lecho fluidoreactores de lecho fluido reactores de lecho fluido El desarrollo de la tecnología de combustión en reactores de lecho fluido pasa por conocer la temperatura de la partícula de combustible sólida durante su conversión. Ya que afecta directamente a la eficiencia del reactor, generación de emisiones, es clave en problemas de aglomeración del lecho y perdida de fluidización, y permite conocer la cinética y modo de conversión de los combustibles [9-12]. Dada esta importancia, existen distintas técnicas que permiten conocer (estimar) tanto la temperatura del combustible (interior) durante su combustión, como el exceso que ésta tiene sobre la del lecho fluido. Estas técnicas pueden basarse en la utilización de termopares [13-20], anillos metálicos de temperatura de fusión conocida [44], técnicas fotográficas [40, 41], y pirometría [21-28, 33-36]. Cada una de ellas con sus ventajas e inconvenientes [19].Los trabajos revisados en la literatura que emplean estas técnicas para analizar el modo de conversión de diferentes tipos de combustibles (partículas esféricas de varios mm de diámetro) durante su combustión en reactores de lecho fluido burbujeante con diferentes temperaturas de operación y agentes de fluidización se muestran en la tabla AI.1. El uso de termopares (técnica más utilizada) consiste en su inserción en el interior de la partícula combustible, y fijados mediante masilla refractaria, permiten obtener medidas puntuales continuas en el tiempo hasta su desprendimiento. P. Basu [20] encontró que el exceso de temperatura del núcleo de la partícula respecto del lecho aumentaba con la disminución del tamaño del combustible, y publicó un exceso de 200 0 C para partículas de carbonizado de 3 mm (tamaño mínimo aproximado para la aplicación práctica del termopar). J. F. Stubington [19] midió un exceso máximo de la temperatura del char de coque de 98 0 C sobre la del lecho, y justificó su menor valor respecto del proporcionado mediante fotografía (técnica comentada abajo) por la menor trasferencia de calor por ANEXO I. Revisión de las técnicas de medida de la temperatura de las partículas de combustible sólido durante su conversión en reactores de lecho fluido 34 convección existente en la superficie del lecho (región donde la técnica fotográfica captura la imagen). M. Komatina et al [17] encontró que la temperatura del núcleo de la partícula dependía de su tamaño y de las propiedades del combustible (porosidad, contenido en ceniza…) lo que indicaba el peso de la trasferencia de masa y calor en el perfil de temperatura. N. tomé et al [18], muestra que una manera “suave” de generar el char (tasa de calentamiento de 0.5 0 C/s hasta 850 0 C) reduce la fragmentación durante la combustión. Recientemente, con el objetivo de entender el efecto que sobre el modo de conversión y comportamiento del combustible tiene el cambio en la atmósfera de conversión en oxicombustión [9, 10], F. Scala et al [13] cuantificó en (10-60) 0 C el exceso de la temperatura del carbonizado de carbón bituminoso con diferentes concentraciones de O 2 (2-8) % en una atmósfera de CO 2. Además, concluyó que la gasificación del char por CO 2 , y la oxidación homogénea del CO no pueden despreciarse en condiciones de oxi-combustión. Por otro lado, Changsheng et al [14. 15] analizaron el efecto sobre el proceso de devolatización en distintos tipos de combustibles midiendo la temperatura del centro de la partícula y de un punto cercano a la superficie, y combinando observaciones visuales de la combustión de los volátiles mediante una cámara digital que se utilizó para el cálculo de la temperatura de llama por pirometría en dos colores (comentada abajo) [15]. Las medidas proporcionadas por los termopares (centro y superficie) les permitieron separar el proceso de devolatización y de combustión de char en función de la temperatura “superficial”, encontrando que el tiempo de devolatización disminuía con el aumento de la concentración de O 2 , era sensiblemente mayor en la atmósfera CO 2 , y que los combustibles estudiados presentan un comportamiento en la relación temperatura “superficial” y del centro similar (temperatura “superficial” mayor a la del centro hasta que el frente de reacción se adentra en la partícula). Los trabajos analizados (Tabla AI. 1), además de mostrar la capacidad del uso de termopares y el conocimiento (información) que de su uso se obtiene presentan sus inconvenientes. El movimiento de la partícula durante su fluidización se ve afectado haciendo que la trasferencia de materia y calor sean diferentes a las reales (Fig. AI.1). Y aunque la propuesta basada en un termopar oscilante [19] puede solucionar este problema, el uso de termopares continua estando limitado a partículas gruesas (varios milímetros) que puedan resistir la perforación. Además, las medidas están supeditadas a la fragmentación y atrición de las partículas durante su conversión. Con la intención de no afectar a la fluido-dinámica, J. G. Yates et al [44] fabricaron partículas de combustible a partir de polvo de antracita y resina con anillos metálicos (aleación plata-oro) en su interior. Mediante observación de los anillos después de la ANEXO I. Revisión de las técnicas de medida de la temperatura de las partículas de combustible sólido durante su conversión en reactores de lecho fluido 35 combustión dedujeron que la temperatura aumentaba con la disminución del diámetro de la partícula. Aunque mediante esta técnica no se ve afectado el movimiento libre de la partícula, el combustible fabricado tiene diferente reactividad y energía de activación que el carbón del cual procede, y la aplicabilidad del método puede ponerse en duda. Por otro lado, el uso de la técnica fotográfica proporciona medidas de la temperatura superficial del combustible o su exceso sobre la del lecho mediante el análisis de imágenes (fotografías) de la parte superior del lecho tomadas desde un acceso óptico del reactor. J. C. Roscoe et al [40] midió la temperatura de un batch de partículas de Coque comparando mediante un densitómetro la densidad de la partícula en la imagen obtenida (film) con las imágenes de un cuerpo con comportamiento ideal negro a diferentes temperaturas. I. B. Ross et al [41] obtuvieron que un incremento en la concentración de O 2 aumentaba la temperatura superficial de las partículas de Coque registrando en el mismo “film” la imagen de la superficie del lecho y 6 bombillas de tungsteno con sus filamentos a diferentes temperaturas (905-1400 0 C). Aunque esta técnica supera los inconvenientes asociados a los termopares, solo pueden fotografiar las partículas presentes en la superficie del lecho donde existen condiciones de trasferencia de calor y materia distintas a las interiores [19, 21]. Además, se comparan imágenes de partículas de carbón y carbonizado con emisividad comprendida entre (0.85-1) [18, 21-25, 27, 33, 40, 41] en el rango visible con imágenes de cuerpos con comportamiento ideal negro y filamentos de tungsteno. Figura AI. 1. Restricción del movimiento asociado al uso de termopares en reactores de Figura AI. 1. Restricción del movimiento asociado al uso de termopares en reactores de Figura AI. 1. Restricción del movimiento asociado al uso de termopares en reactores de Figura AI. 1. Restricción del movimiento asociado al uso de termopares en reactores de lecho fluido [13]. b) Termopar (0.25 mm) embebido en una partícula esférica de char (6 lecho fluido [13]. b) Termopar (0.25 mm) embebido en una partícula esférica de char (6lecho fluido [13]. b) Termopar (0.25 mm) embebido en una partícula esférica de char (6 lecho fluido [13]. b) Termopar (0.25 mm) embebido en una partícula esférica de char (6- -- - 7 mm) [17] 7 mm) [17]7 mm) [17] 7 mm) [17] ANEXO I. Revisión de las técnicas de medida de la temperatura de las partículas de combustible sólido durante su conversión en reactores de lecho fluido 36 Figura AI. 2. Representación Figura AI. 2. RepresentaciónFigura AI. 2. Representación Figura AI. 2. Representación de la aplicación de la técnica pirométrica mediante sonda de la aplicación de la técnica pirométrica mediante sonda de la aplicación de la técnica pirométrica mediante sonda de la aplicación de la técnica pirométrica mediante sonda óptica en dos colores a un reactor de lecho fluido [21]. óptica en dos colores a un reactor de lecho fluido [21].óptica en dos colores a un reactor de lecho fluido [21]. óptica en dos colores a un reactor de lecho fluido [21]. A. Macêk et al [21] pensaron que mediante la señal eléctrica generada por un sensor irradiado por radiación térmica se podría determinar la temperatura superficial del cuerpo cuya radiación fue capturada, dando origen a la pirometría óptica. La aplicación de la técnica sobre lecho fluido consiste en la captura de la radiación térmica de los cuerpos (lecho y char) que atraviesan el campo de visión de la sonda óptica y su conducción mediante fibra óptica a una unidad radiométrica donde es separada en intervalos espectrales (decenas de nanómetros) antes de irradiar el sensor. De esta forma se disponen de señales eléctricas que contienen la información de la radiación térmica (Fig. AI. 2). Encontraron un resultado (aumento de la temperatura superficial del carbonizado con la concentración de O 2 ) función de la proporción del campo de visión de la sonda ocupado por la partícula de combustible al pasar, y salvo para situaciones en las que sea superior al 70 % los resultados presentan una dispersión difícil de interpretar. T. M. Linjewile et al [22] eliminaron la necesidad de conocer la fracción del campo de visión de la sonda ocupado por la partícula, y obtuvieron un exceso de temperaturas asociado a un batch de partículas de coque sobre la del lecho de (60-360 0 C), observaron una disminución de dicha diferencia con la concentración de O 2 (control difusional de la conversión), temperaturas superficiales mayores cuando la partícula se encuentra en la fase burbuja en detrimento de la emulsión, y que la posible segregación causa por el movimiento del lecho situara las partículas más finas y con mayor temperatura a mayor altura dentro de lecho. R. Hernberg et al [23] tuvieron en cuenta la energía reflejada por la partícula y la atenuación de la radiación por el lecho, y mediante la calibración de la unidad radiométrica, suposición de cuerpo gris, y tratamiento estadístico [24] obtuvieron ANEXO I. Revisión de las técnicas de medida de la temperatura de las partículas de combustible sólido durante su conversión en reactores de lecho fluido 37 información cualitativa entre la temperatura superficial del char y su tamaño. T. Joutsenoja el al [25] estudiaron el efecto de la temperatura del lecho y la concentración de O 2 (5-8) % sobre el exceso de la temperatura superficial del carbonizado sobre la del lecho, encontrando su disminución con la temperatura del lecho y aumento con la de oxígeno. El error asociado a la medida que la señal eléctrica hace de la radiación térmica (sistema de calibración, ruido eléctrico, fluctuaciones en la radiación de fondo, perdidas de radiación…) es despreciable [25], es decir, la unidad radiométrica mensura adecuadamente la radiación que recibe. Por ello, el carácter cualitativo (alta dispersión) de los resultados obtenidos en los trabajos analizados (Tabla AI. 1) son debidos al modelo matemático que se realiza. Que obtiene temperaturas superficiales en función de un parámetro muy difícil de interpretar, el cual almacena (absorbe) el tamaño y emisividad de la partícula, y la fracción del campo de visión de la sonda ocupada por ésta. Por otro lado, existe otro inconveniente asociado al uso de una sonda como dispositivo de captura y es que la temperatura calculada es la media de los cuerpos presentes en el campo de visión (Fig. 1.3 a). Sin embargo, este inconveniente puede salvarse si la captura se realiza mediante una cámara digital que proporciona información de la radiación que llega a cada pixel del sensor en los tres intervalos espectrales asociados al rojo, verde, y azul [42], haciendo que la radiosidad de una región del espacio que irradia un pixel no se vea afectada por la radiosidad de las regiones adyacentes (Fig. 1. 3 b). Lu H et al [27] utilizando una cámara digital como equipo de captura y medida de la radiación térmica visible obtienen el campo superficial de temperatura y emisividad del carbonizado de una partícula (11 mm) de madera de álamo durante su combustión en el centro de un horno eléctrico a 1000 0 C, y de una partícula de serrín (300 µm) en un reactor de arrastre. Este resultado (aunque no sobre reactores de lecho fluido) muestran el potencial que la captura mediante equipo digital tiene para revelar detalles que escapan a otras técnicas como la existencia de gradientes térmicos superficiales indicando combustión no uniforme. Dentro del análisis de la conversión de combustibles en reactores de lecho fluido, Bo. C et al [15] emplearon una cámara digital para cuantificar el efecto que el cambio en la atmósfera de conversión (N 2 -O 2 vs CO 2 -O 2 ) tiene en la temperatura de combustión de los volátiles de partículas (6 mm) de distintos tipos de combustibles (Lignito, Bituminoso, Sub-bituminoso, Antracita, Madera China). Encontraron que la temperatura de llama era mayor en la atmósfera N 2 -O 2 , especialmente cuando la concentración de O 2 era baja. W. Zukowski et al [28] analizaron el campo de temperatura que se crea en un lecho de arena (0.385-0.43 mm) cuando se produce la combustión de una mezcla airepropano en su interior. Los resultados revelaron la existencia de gradientes internos ANEXO I. Revisión de las técnicas de medida de la temperatura de las partículas de combustible sólido durante su conversión en reactores de lecho fluido 38 asociados a la explosión de las burbujas y al movimiento de sólidos. El uso de cámaras térmicas que operan con longitudes de ondas pertenecientes al espectro infrarrojo (0.85- 15 µm) también se ha utilizado para estudiar la trasferencia de calor y los perfiles de temperaturas existentes entre las partículas sólidas del lecho y el gas de fluidización. Amit V. Patil et al [31] analizaron el campo de temperatura de un lecho de partículas esféricas de vidrio (0.5-1 mm) previamente calentadas en un horno eléctrico a 100 0 C y fluidizadas en un reactor 2D a temperatura ambiente. Encontraron la existencia de un gradiente en el lecho de 10-20 0 C, y que un aumento en la velocidad de fluidización, la disminución de la masa de inventario o del diámetro de las partículas esféricas hacia que la temperatura media de los sólidos cayese rápidamente. T. Tsuji et al [30] midieron el campo de temperaturas de un lecho 2D de partículas de aluminio pintadas de negro (2.1 mm) fluidizadas con aire para analizar el efecto que las burbujas tienen sobre el movimiento y temperatura de las partículas. Sorprendentemente encontraron una temperatura superior en la zona fluidizada respecto de las regiones estáticas donde la trasferencia convectiva de calor es inferior. Justificaron el resultado asegurando que las partículas que rodean la burbuja son las que están en el interior del lecho, a mayor temperatura por no perder calor por conducción con las paredes del reactor. S. L. Brown et al [29] analizaron la variación temporal del campo de temperaturas y la trasferencia de calor en un lecho de arena 2D fluidizado con aire calentado previamente en diferentes condiciones de fluidización. Cuando el lecho está estático encuentran la existencia de zonas a bajas temperaturas debida a la baja circulación del aire, y una de mayor temperatura alrededor de la zona de inyección del aire. Durante la fluidización la técnica desvela la presencia de partículas a mayor temperatura en la parte superior del lecho. Y cuando la fluidización produce la aparición de un “Spout” encuentran un mínimo y máximo para la temperatura de las partículas entre las principales regiones que se crean, y la disminución de la temperatura del gas a medida que asciende por el lecho. ANEXO I. Revisión de las técnicas de medida de la temperatura de las partículas de combustible sólido durante su conversión en reactores de lecho fluido 39 Tabla AI.1. Medida de la temperatura de partículas durante su combustión en Reactores de Lecho Flu Tabla AI.1. Medida de la temperatura de partículas durante su combustión en Reactores de Lecho FluTabla AI.1. Medida de la temperatura de partículas durante su combustión en Reactores de Lecho Flu Tabla AI.1. Medida de la temperatura de partículas durante su combustión en Reactores de Lecho Flu ido idoido ido Técnica TécnicaTécnica Técnica T TT T b bb b ( (( ( 0 00 0 C) C)C) C) Agente de Agente de Agente de Agente de fluidización fluidizaciónfluidización fluidización Lecho LechoLecho Lecho d dd d p,b p,bp,b p,b (mm) (mm)(mm) (mm) Combustible CombustibleCombustible Combustible d dd d p,c p,cp,c p,c (mm) (mm)(mm) (mm) ∆ T TT T c cc c- -- -b bb b ( (( ( 0 00 0 C) C)C) C) [20 [20[20 [20 ] ]] ] termopar 750, 800, 900 21 % (aire) Arena 0.1 Carbón 9 - 15 40 - 200 [19 [19[19 [19 ] ]] ] termopar 900 21 % (aire) Arena 0.46 Coque 4 98 [17 [17[17 [17 ] ]] ] termopar 590, 710 21 % (aire) Arena 0.25 Lignito Brown Coal 5, 7, 8, 10 125 - 182 70-128 [18 [18[18 [18 ] ]] ] termopar 750, 820, 900 21 % (aire) Arena 0.25 - 0.315 Char de madera 9 - 13 16 - 140 [13 [13[13 [13 ] ]] ] termopar 850 CO 2 - O 2 (2 - 8) % Arena 0.5 - 0.6 Char de carbón bituminoso 6 - 7 10 - 60 [14 [14[14 [14 ] ]] ] termopar 815 N 2 - O 2 (0 - 40) % CO 2 -O 2 (0-40) % Arena 0.25 - 0.35 Carbón bituminoso 6 - 13 X [15 [15[15 [15 ] ]] ] termopar 815 21 % ( aire) Arena 0.25 - 0.35 Lignito, Bituminoso, Sub - bituminoso, Antracita. Madera China 6 X [44 [44[44 [44 ] ]] ] Anillo metálico 760 - 960 X Arena 0.225 Polvo de antracita y resina 2.5 4.5 7.5 100 - 143 60-100 ~ 60 [40 [40[40 [40 ] ]] ] fotografía 930 21 % (aire) X 0.655 Batch de Coque 2.4 - 2.8 130 - 160 [41 [41[41 [41 ] ]] ] fotografía 900 21 % (aire) Arena 0.44 - 0.55 Batch de Coque 1.9 2.2 2.5 3.1 135±5 127±47 127±23 110±8 [2 [2[2 [2 1 11 1 ] ]] ] Pirometría por sonda óptica 787 - 877 N 2 - O 2 (14.2 - 23) % Arena 1.2 - 1.6 Batch de Char de Lignito y Antracita 3.7 30 - 150 [2 [2[2 [2 2 22 2 ] ]] ] Pirometría por sonda óptica 700 - 927 21 % (aire) Arena 0.182 - 1.09 Batch de partículas de Coque 0.75 - 8.1 60 - 360 [2 [2[2 [2 3 33 3 ] ]] ] Pirometría por sonda óptica 856 21 % (aire) Olivino 0.36 Batch de partículas de carbón 1 - 9 50 - 600 [25 [25[25 [25 ] ]] ] Pirometría por sonda óptica 857 - 927 O 2 (5 - 8) % C erámica WMS Molochite < 1.6 Carbón bituminoso Westerhold Char de Carbón bituminoso Westerhold Carbón EBV 2 2 2.5 129±63 107±60 87±65 41 ANEXO II. Modelo de la temperatura superficial determinada ANEXO II. Modelo de la temperatura superficial determinada ANEXO II. Modelo de la temperatura superficial determinada ANEXO II. Modelo de la temperatura superficial determinada mediante pirometría con cámara digital mediante pirometría con cámara digitalmediante pirometría con cámara digital mediante pirometría con cámara digital AII.1 AII.1AII.1 AII.1 Modelo matemá Modelo matemáModelo matemá Modelo matemático de la radiosidad de una partícula de carbonizado durante tico de la radiosidad de una partícula de carbonizado durante tico de la radiosidad de una partícula de carbonizado durante tico de la radiosidad de una partícula de carbonizado durante su combustión en un horno eléctrico su combustión en un horno eléctricosu combustión en un horno eléctrico su combustión en un horno eléctrico Como representa la Fig. AII.1, la potencia radiante que emite, recibe, y abandona una superficie se denominan; emitancia, irradiancia, y radiosidad respectivamente, [40]. La emitancia de un cuerpo ideal (cuerpo negro) se modela matemáticamente mediante la Ley de Planck [39], y para temperaturas superficiales comprendidas entre (600-950) ℃, y longitudes de onda pertenecientes a las bandas espectrales roja-verde-azul (0.45-0.7) μm [43], puede expresarse según (ec. AII.1). Mediante la emisividad (ec. AII.2) es como se expresa la emisión de los cuerpos reales. (ec. AII.1) e p λ,T$   ' -  exp/<   '∗5 7 (ec. AII.2) ελ,T$ j',5$ j ` ',5$ Fi FiFi Figura AII.1. gura AII.1.gura AII.1. gura AII.1. Flujos radiantes asociados a una superficie: Emitancia (E), Irradiancia (I), y Flujos radiantes asociados a una superficie: Emitancia (E), Irradiancia (I), y Flujos radiantes asociados a una superficie: Emitancia (E), Irradiancia (I), y Flujos radiantes asociados a una superficie: Emitancia (E), Irradiancia (I), y Radiosidad (J) Radiosidad (J)Radiosidad (J) Radiosidad (J) Para determinar la radiosidad de una partícula sólida de combustible durante su combustión en un horno eléctrico equipado con una ventana de observación (Fig. 2.2 b), se plantean las siguientes hipótesis: • Paredes interiores del horno con comportamiento ideal como superficie negra • Temperatura, y propiedades uniformes de las paredes interiores del horno • La radiación es emitida y reflejada de forma difusa