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Análisis de dinámica de fluidos computacional de la combustión de biomasa maderable (Madera típica) en un sistema reactivo

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Análisis de dinámica de fluidos computacional de la combustión de biomasa maderable 
(Madera típica) en un sistema reactivo. 
 
Yarley A. Buelvas Arrieta1 Linda L. Diaz1 Stiven A. Peralta1 Humberto J. Doria1 Fernando1 Rafael Gomez1 
(1) Facultad de Ingeniería, Dpto. de Ingeniería Mecánica, Univ. De Córdoba, Montería 333 
 
Resumen 
 
La necesidad de encontrar mejores eficiencias en las cámaras de combustión para aprovechar al 
máximo la combustión de biomasa ha llevado a una tendencia hacia el uso de estudios numéricos 
porque son muy útiles para predecir con precisión varios parámetros de combustión y características 
de emisión, reduciendo el costo de optimización del diseño 
 
En este trabajo, se ha desarrollado un modelo completo de dinámica de fluidos computacional (CFD) 
para estudiar numéricamente la combustión y la emisión asociada de biomasa maderable en un 
combustor de geometría independiente. La combustión en fase sólida se modeló con un modelo de 
inyección para la solución numérica. Asistiendo varios parámetros en el modelo de conversión 
térmica permitieron evidenciar el comportamiento del combustible sólido, reacciones químicas, 
transferencia de calor y masa, emisiones del solido con respecto al consumo de combustible. 
 
Los resultados obtenidos para la temperatura, velocidad y concentración de campos de especies 
dentro de la cámara, trayectoria de las partículas permiten el análisis y la optimización del proceso de 
combustión para este tipo de combustible. Además, los resultados muestran que la mezcla de gases 
con el aire comburente en la cámara de combustión podría mejorarse, por ejemplo, optimizando el 
caudal de aire secundario inyectado en relación con las condiciones de funcionamiento de la caldera, 
lo que conduciría a menores eficiencias en las reacciones de combustión. 
 
Palabras clave: Modelo CFD, Biomasas maderables, cámaras de combustión, reacciones. 
 
Computational fluid dynamics analysis of wood biomass combustion in a reactive system. 
 
Abstract 
The need to find better combustion chamber efficiencies to take full advantage of biomass combustion 
has led to a trend towards the use of numerical studies because they are very useful for accurately 
predicting various combustion parameters and emission characteristics, reducing the cost of design 
optimization. 
In this study, a complete computational fluid dynamics (CFD) model was developed to numerically 
study the combustion and associated emission of woody biomass in a combustor of independent 
geometry. The solid-phase combustion was modeled with an injection model for the numerical 
solution. By assisting various parameters in the thermal conversion model, the solid fuel behavior, 
chemical reactions, heat and mass transfer, solid emissions with respect to fuel consumption were 
evidenced. 
The results obtained for temperature, velocity and concentration of species fields inside the chamber, 
particle trajectory allow the analysis and optimization of the combustion process for this type of fuel. 
In addition, the results show that the mixing of gases with the combustion air in the combustion 
chamber could be improved, for example, by optimizing the flow rate of secondary air injected in 
relation to the operating conditions of the boiler, leading to lower efficiencies in the combustion 
reactions. 
 
Keywords: CFD model, woody biomasses, combustion chambers, reactions 
 
 
 
 
1. INTRODUCCIÓN 
 
La creciente preocupación mundial por el calentamiento global y el cambio climático ha llevado a los 
países desarrollados a buscar formas sostenibles de producir energía para reducir las emisiones. Por 
otro lado, la creciente demanda de energía en los países en desarrollo y los recursos limitados de 
combustibles fósiles requieren el uso de fuentes de energía sostenibles. Hay muchas fuentes de 
energía renovable (biomasa, eólica, hidroeléctrica, geotérmica y solar), pero considerando los 
aspectos sociales, económicos, ambientales y de seguridad, todavía estamos buscando la fuente de 
energía clave del futuro para un mundo sostenible. La biomasa es la única fuente de energía renovable 
basada en el carbono y tiene una parte significativa de la energía renovable disponible en todo el 
mundo para reemplazar los combustibles fósiles en los sectores de industria, la electricidad y el 
transporte. [1]. 
 
El modelado numérico del sistema de combustión es una herramienta útil para la optimización del 
diseño y se puede utilizar para estudiar el fenómeno de combustión en detalle. El modelado CFD es 
muy útil para estimar la distribución de temperatura y especies de gases en toda la región [2]. El uso 
del método de simulación CFD para analizar la combustión de combustibles sólidos en cámaras de 
combustión o calderas requiere un modelo de conversión de combustible para describir la liberación 
de productos de combustión en la región de francobordo. El punto de partida para el modelado de la 
combustión de combustibles sólidos es la descripción de un lecho de combustible térmicamente 
reactivo, que se convierte en productos gaseosos y sólidos. Esto incluye procesos de secado, 
evaporación, oxidación de carbono y gasificación o una combinación de todos estos subprocesos [3]. 
Varios métodos de quema de biomasa se encuentran en modelos numéricos, que incluyen lecho fijo, 
combustión en lecho fluidizado y combustión pulverizada [4] 
 
En estudios que compararon mediciones experimentales con resultados de simulación CFD de una 
caldera de biomasa de red fija a pequeña escala, Patronelli [5] concluyó que una estrategia de 
modelado numérico estándar para calderas pequeñas basada en el modelo de reactor perfectamente 
agitado (PSR) combinado con lecho de biomasa Varalaida. el modelo CFD de fase de gas reactivo no 
puede predecir muy bien los cambios de temperatura. 
 
Rajh et al [6] presentaron un modelo CFD de combustión de residuos de madera en una caldera de 
parrilla de 13 MW en una planta de residuos y encontraron que era bastante preciso. El análisis CFD 
muestra que el suministro de aire secundario y terciario debe optimizarse y mejorarse para mejorar el 
rendimiento de la planta. 
 
Scharler y Obernberger [7] llevaron a cabo un estudio de caso sobre la optimización de la geometría 
de las cámaras de combustión y las toberas de aire secundario utilizando modelos CFD. Los 
resultados de los cálculos CFD mostraron un potencial significativo para optimizar la geometría del 
horno y los chorros de aire secundario con respecto a la mezcla aire-combustible. 
 
Miljkovic et al. [8] desarrollaron un modelo matemático bidimensional para la quema superficial de 
pacas de paja en una parrilla móvil, donde se estudiaron diferentes velocidades de parrilla y flujos de 
aire para estimar la temperatura, la velocidad de propagación del frente de llama y la concentración 
de especies de gas en el lecho. 
 
Así mismo se ha demostrado que métodos simplificados y computacionalmente eficientes para la 
simulación de fenómenos complejos que ocurren en una caldera de biomasa pueden ser de gran 
utilidad, siempre que ofrezcan predicciones fiables y razonablemente precisas [9]. La optimización 
de las geometrías de la cámara de combustión y la tobera se puede lograr mediante el uso de 
simulaciones de dinámica de fluidos computacional (CFD). La técnica permite una mejora específica 
y optimizada y, por lo tanto, puede acelerar el proceso de desarrollo [10]. Por lo tanto, este estudio 
 
tiene como objetivo demostrar mediante el CFD la optimización del proceso de combustión para una 
biomasa maderable para este tipo de cámara de combustión teniendo en cuenta comportamientos de 
temperatura, velocidad y concentración de campos de especies, trayectoria de las partículas dentro de 
la cámara. 
 
2. GEOMETRÍA DEL QUEMADOR 
 
Para la geometría se realizó como se muestra en la Figura 1, utilizando medidas distintas en 
nuestro caso,cada una de las medidas se multiplicaron por 3. 
 
 
Figura 1 (a). Geometría 
 
Figura 1 (b). Geometría realizada en ANSYS, con los parámetros descrito anteriormente 
 
 
3. CONFIGURACIÓN DEL MODELO 
 
Se utilizo el programa de ANSYS para realizar el modelo del quemador, presentándose en 5 
fase para el modelo y simulación del quemador. 
 
a) Diseño de la geometría 
b) Mallado 
c) Configuración 
d) Solución 
 
e) Resultados 
El mallado se realiza en el paquete de ANSYS meshing como se muestra en la figura 2 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 2. Mallado de la geometría del quemador 
 
La estática del mallado es de 
• No de nodos 33576 
• No de elementos 32836 
Las siguientes fueron suposiciones generales realizadas por 
a) Las partículas son de forma esférica y tamaño de 25 mm presentan una distribución 
uniforme 
b) Se utilizo el modelo de fase discreta dado el tamaño de la partícula 
 
4. ANÁLISIS DE RELACIÓN AIRE-COMBUSTIBLE 
Se realizo el análisis de relación aire-combustible por medio de Excel en donde tuvimos en 
cuenta los parámetros expuestos en la Tabla 1 y 2: 
 
Tabla 1. Propiedades Generales 
 
Propiedades Generales 
Elemento Masa Molar (kg/Kmol) 
C 12 
H 1 
O 16 
Aire 28,97 
ER combustión 1,3 
 
 
 
Se tiene en cuenta los análisis próximo y elemental de la investigación realizada por [14] quienes 
utilizan una biomasa maderable la cual es una madera tipica de la región la tabla se observan los 
parámetros descritos por los investigadores. 
 
 
Tabla 2. Parámetros del análisis ultimo y elemental de Madera típica 
 
Análisis ultimo y elemental de una madera típica 
Parámetros Análisis ultimo (%) 
C 49,59 
H 6,28 
N 0,39 
O 43,74 
Análisis elemental 
Parámetros Análisis elemental (%) 
Material Volátil 56,39 
Carbón fijo 31,46 
Humedad 9,71 
Contenido de cenizas 2,44 
 
Tomada de [15] 
 
4.1 Balance estequiométrico 
Luego de tener los parámetros correspondientes se realizará el cálculo de las moles de 
carbono, hidrogeno y oxigeno ya que las necesitamos para el balance estequiométrico, esto 
lo realizamos por medio de fórmulas en la hoja de Excel utilizando la Ec 1. 
 
𝑛 =
𝑤
𝑀𝑀
 
Donde: 
𝑛 es el número de moles del elemento 
𝑤 es la cantidad de masa 
𝑀𝑀 es la masa molar del elemento 
 
Luego se realiza el balance estequiométrico para una combustión completa sin exceso de 
aire, como se expresa en la siguiente reacción química: 
 
[𝐶𝐻𝑚𝑂𝑛] + 𝑎𝑡ℎ(𝑂2 + 3,76𝑁2) → 𝑥𝐶𝑂2 + 𝑦𝐻2𝑂 + 𝑧𝑁2 
 
Para hallar los coeficientes estequiométricos 𝑥, 𝑦, 𝑧 utilizaremos Excel ya con las fórmulas 
despejadas. 
 
4.2 Poder Calorífico 
 
Para el cálculo del poder calorífico en la biomasa utilizaremos la siguiente ecuación 
𝑃𝐶𝑆 = 8100 ∗ 𝐶 + 34400 (𝐻 −
𝑂
8
 ) + 2500 ∗ 𝑆 
𝑃𝐶𝐼 = 𝑃𝐶𝑆 − 600 ∗ 𝑊 
 
 
 
 
5. ANÁLISIS DE CFD 
 
Para el análisis en el quemador se tuvieron en cuenta los parámetros mostrados en la tabla 2 
los cuales fueron tomado de [11] también de las investigaciones realizada por [12] y [15] e 
igualmente las condiciones de borde como se muestra en la tabla 3. 
 
Tabla 3. Condiciones de borde 
 
Condiciones de borde Valores 
Temperatura de fuel-injection (wall) (°K) 1400 
Velocidad del aire (m/s) 3,2-7,2 
Temperatura del combustible (°K) 370 
Flujo masico del combustible (kg/h) 17 
Diámetro de la partícula (m) 0,0025 
 
Como el flujo masico del combustible es de 17 Kg/h = 0,0047 Kg/s hallamos el flujo masico 
correspondiente al del aire 
𝑚𝑎𝑖𝑟𝑒̇ = 0,0047 ∗ 7,80 
 
6. ECUACIONES 
 
Las ecuaciones para la energía, el momento y el flujo masico esta dado por la siguiente 
respectivamente [11]: 
 
∇(𝑣(𝜌𝐸 + 𝑝)) = ∇ ∙ 𝐾∆𝑇 − ∇∑ℎ𝑖𝐽𝑖 + ∇(τ ∙ v) 
 
∇(𝜌𝑣𝑣) = 𝜌𝑣𝑣 − 𝜌𝑔 + ∇(𝜏) + 𝑆𝑓 
 
∇(𝜌𝑣) = 𝑆𝑚 
 
Donde la conductividad es K y la difusión es 𝐽𝑖 de especies i. 
 
Transporte de especies 
 
La forma común de la ecuación de transporte para cada especie se define como: 
𝜕
𝜕𝑡
(𝜌𝑌𝑖) + ∇(𝜌�⃗� 𝑌𝑖) = ∇𝐽𝑖⃗⃗⃗ + 𝑅𝑖 
 
Donde 𝑅𝑖 es la tasa neta de producción de la especie ''i por reacción química, donde el flujo 
de difusión de las especies 𝑗 esta dado por: 
𝑗 = − (𝜌𝐷𝑖,𝑚 +
𝜇𝑖
𝑆𝑐𝑖
) ∇𝑌𝑖 𝑃𝑎𝑟𝑎 𝑓𝑙𝑢𝑗𝑜 𝐿𝑎𝑚𝑖𝑛𝑎𝑟 
 
 
𝑗 = −(𝜌𝐷𝑖,𝑚)∇𝑌𝑖 𝑃𝑎𝑟𝑎 𝑓𝑙𝑢𝑗𝑜 𝑡𝑢𝑟𝑏𝑢𝑙𝑒𝑛𝑡𝑜 
 
Donde 𝐷𝑖,𝑚 es el coeficiente de masa de las especies en la mezcla y 𝑆𝑐𝑖 es el numero 
turbulento de Schimidt [11]. 
 
7. RESULTADOS 
 
Luego de utilizar ecuación 1 y formularla en Excel nos da como resultado lo que se muestra 
en la tabla 4. 
 
Tabla 4. Numero de Moles del carbono, oxígeno e hidrogeno 
 
 
Fuentes de energía Moles 
C H O 
Biomasa (Typical Wood) 0,041 0,063 0,027 
 
Posteriormente se realiza el balance estequiométrico para una combustión, obteniendo como 
resultado lo que se muestra en la siguiente tabla, allí mismo hallamos la relación Hidrogeno-
carbono y Oxigeno-Carbono y así representar los puntos en el Diagrama de Van Krevelen 
(Figura 3) 
 
Fuente de energía x y z ath RA/C 
Biomasa (Wood) 1 0,76 3,94 1,05 6,00 
 
 
Coeficientes 
H/C O/C 
C H O 
1 1,52 0,66 1,52 0,66 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 3. Diagrama de Van Krevelen 
 
 
0,66; 
0,00
0,20
0,40
0,60
0,80
1,00
1,20
1,40
1,60
0,00 0,20 0,40 0,60 0,80
A
to
m
ic
 H
/C
 r
at
io
 
Atomic O/C ratio
Diagrama de Van Krevelen 
Biomasa
 
Por medio del diagrama de Van Krevelen confirmamos que si se trata de una biomasa. Ahora en la 
Tabla se muestra el cálculo de los poderes caloríficos y la relación de air-fuel en la combustión. 
 
Poder Calorífico PCS (Kj/kg) PCI (Kj/kg) RA/C combustión 
Biomasa (Wood) 17975,68 17917,42 7,80 
 
Como el flujo masico del combustible anteriormente mencionado es de 17 Kg/h = 0,0047 Kg/s 
hallamos el flujo masico correspondiente al del aire 
𝑚𝑎𝑖𝑟𝑒̇ = 0,0047 ∗ 7,80 
𝑚𝑎𝑖𝑟𝑒̇ = 0,0366 
 
Igualmente, de [11] se tomó los valores para los parámetros cinéticos representados en la 
 
Tabla 5. Parámetros cinéticos 
Parámetros cinéticos ( 𝐴𝑗 , 𝐸𝑗(𝐽/𝑘𝑚𝑜𝑙) 
𝐴𝑑 = 2,2 𝑥 10 𝑒
12 𝑠−1 
𝐸𝑑 = 1,67 𝑥 10
8 
 
 
Luego de recopilar todos los datos que necesitamos para completar la simulación del quemador, se 
realizó 
la configuración para obtener los contornos de velocidad y temperatura mostradas en la figura 5. 
 
 
 
Figura 5 (a). Contorno de velocidad 
 
 
Figura 5 (b). Contorno de temperatura 
 
 
 
 
Figura 6. Distribución de la velocidad 
 
 
 
 
Figura 7. Distribución de la temperatura 
 
 
Se observa en la figura 5(b) que la temperatura máxima en el interior del quemador es de 2800 °K 
para la madera típica se evidencia que en la salida del quemador se produce un aumento repentino lo 
que puede deberse a la mezcla de los gases suministrados. Por lo tanto la configuración del flujo de 
aire es importante para mejorar el proceso de combustión y la mezcla y también se debe tener en 
cuenta el diseño del quemador porque es posible reducir las emisiones contaminantes si se tiene el 
diseño adecuado del quemador, mientras que en la figura 5 (a) la velocidad máxima es de 1,1 m/s, el 
 
aumento de la velocidad cerca de la zona de salida puede indicar a un vórtice que se genera en ese 
lugar lo cual puede presentar problemas de erosión de los tubos del quemador [14]. 
 
 
 
 
 
 
 (a) 
 
 
 
(b) 
 
Figura 8. (a) Contorno de fracción másica de CO2 y (b) Contorno de fracción másica de O2 
 
 
En la figura 8 se observa la fracción másica del dióxido de carbono y el oxígeno, figura (a) presenta 
el contorno del CO2 en el cual se le puede añadir un poco más de aire ya que el porcentaje del CO2 
de una combustión completa este alrededor del 20% mientras que en la figura (b) muestra el 
contorno de oxígeno el cual indica que sale cierta cantidad de oxigenoy lo recomendado es 
aumentar el flujo de aire. Debido a lo expresado anteriormente es posible que se pierda cierta 
energía debido a una combustión incompleta [14]; la combustión incompleta puede estar 
relacionada con el diseño del quemador y la relación de exceso de aire utilizado en el proceso de 
combustión. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 9. Contorno de fracción másica de H2O 
 
La figura 9 representa la fracción de masa del agua dando como resultado que a medida que avanza 
la combustión, el proceso de evaporación de la humedad en la combustión de madera hace que se 
libera mas H2O en casi toda la región; el contenido de humedad hace referencia a que el proceso de 
evaporación sea evidente y puede retrasar el proceso de ignición. 
 
CONCLUSIONES 
 
La combustión es conocida como el proceso de oxidación en donde el aire se une con el combustible 
para formar una reacción exotérmica, productos y calor. Se desarrolla un modelo 3D en CFD para 
describir la inyección de partículas de biomasa, los datos descritos anteriormente fueron basado en las 
revisiones bibliográficas hechas, en el modelo de biomasa maderable la temperatura máxima fue de 2800 
°K a una velocidad máxima de 1,1 m/s mientras que en investigaciones hechas por [15] la temperatura 
máxima de la madera típica fue de 1984 °K variando un poco debido a que se tomo condiciones distintas 
a la descrita en la literatura, algunos autores [13] expresan que es importante el contenido de humedad 
que se presenta en la biomasa ya que este hace que el proceso de evaporación sea evidente y pueda 
retrasar el proceso de encendido para la inyección, otros autores [15] recomiendan que a veces es 
necesario observar si la geometría tiene las medidas adecuada y si no es así realizar el cambio a la 
geometría debido a que esta no se encuentra en la escala correcta y puede indicar que la temperatura 
máxima en el proceso de combustión esta “lejos” de la entrada de los inyectores, lo cual puede conducir 
a una tensión térmica en la pared. 
La temperatura de ignición de la madera generalmente se encuentra alrededor de los 773,15 °K, sin 
embargo, existen parámetros que pueden afectar el encendido, los cuales son: el contenido de humedad 
en el combustible, temperatura ambiente, velocidad aerodinámica y la presión [16]. 
El contenido de humedad afecta la tasa de combustión ya que puede funcionar como un disipador de 
calor, lo cual reduce la temperatura de la llama y por lo tanto reduce las emisiones contaminantes y esto 
puede conducir a una combustión incompleta. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
REFERENCIAS 
 
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