Análisis energético integral de un sistema de combustión en ciclos químicos usando dinámica de fluidos computacional

Abstract

In this work, the foundations were proposed to carry out the numerical simulation of the combustion process in chemical looping cycles, using computational fluid dynamics. This process consists of two interconnected reactors: the first one is called the "air reactor" and the second one is called the "fuel reactor." In the regenerator, oxidation reactions of the oxygen carrier material take place, which in this case is the natural metal oxide known as ilmenite, while in the combustor, the combustion of syngas (CO + H₂) occurs in the absence of air. In chemical looping combustion, the carrier provides the oxygen necessary for combustion in the combustor; the reduced carrier is then transferred to the regenerator, where it is re-oxidized in the presence of air, thus completing the cycle. This technique produces combustion gases such as CO₂ and H₂O that exit the combustor and can be easily separated. The CO₂ is then directed to downstream production processes, preventing its release into the atmosphere as a greenhouse gas. Structurally, the chemical looping combustion process consists of two interconnected fluidized bed reactors. The regenerator operates in a particle entrainment regime, or "riser," while the combustor operates in a bubbling regime. The interest in understanding and modeling this process lies in the fact that it represents a feasible alternative for the inherent separation of CO₂—i.e., without additional costs—avoiding emissions as occurs in conventional combustion. Since mass transfer occurs alongside the movement of both solid and gaseous particles, this project focused on the detailed modeling of particle movement through computational fluid dynamics simulation. The process began with the geometric design of the system, based on reports from the literature, and several simulations were carried out to understand the particle movement patterns.

En el presente trabajo se propusieron las bases para llevar a cabo la simulación numérica del proceso de combustión en ciclos químicos, haciendo uso de la dinámica de fluidos computacional. Este proceso cuenta de dos reactores interconectados, siendo el primero llamado “regenerador” y el segundo llamado “combustor”. En el primero de ellos suceden reacciones de oxidación del material “acarreador” de oxígeno, en este caso el óxido metálico natural conocido como ilmenita, y en el segundo se lleva a cabo la combustión de syngas (CO + H2) en ausencia de aire. En la combustión en ciclos químicos, el acarreador proporciona el oxígeno para la combustión que se lleva a cabo en el combustor; el acarreador reducido se transfiere al regenerador donde vuelve a oxidarse en presencia de aire, completando así el ciclo. Esta técnica produce como gases de combustión CO2 y H2O que salen del combustor, posteriormente se les puede separar fácilmente y el CO2 se envía a procesos productivos corriente abajo, evitando descargarlo a la atmósfera como “gas de efecto invernadero”. Estructuralmente, el proceso de combustión en ciclos químicos consiste de dos reactores de lecho fluidizado interconectados. El regenerador funciona en régimen de arrastre de partículas o “elevador”, y el combustor funciona en régimen de burbujeo. El interés de conocer y modelar este proceso se basa en que representa una alternativa factible para la separación inherente del CO2; es decir, sin costos adicionales; lo que evita emitirlo como sucede en la combustión convencional. Debido a que la transferencia de masa se lleva en conjunto con el movimiento de partículas, tanto sólidas como gaseosas, en este proyecto se enfocó al modelado detallado del movimiento de las partículas, mediante dinámica de fluidos computacional usando el software comercial Ansys Workbench®.