Simulación de la Incineración Limpia de Residuos Urbanos en Lecho Fluidizado

Tesis

Resumen *

A pesar de las numerosas ventajas que presenta la incineración de residuos sólidos urbanos -RSU- en lechos fluidizados (tales como la reducción del volumen de residuos, destrucción de las amenazas biológicas y minimización de la formación de gases contaminantes como los NOx, SO2, dioxinas, furanos y VOCs), existe una gran preocupación sobre las emisiones de metales producidas, debido a su toxicidad para la salud humana y el medio ambiente. En consecuencia, resulta de suma importancia desarrollar herramientas para simular tanto el funcionamiento de estos incineradores de lecho fluidizado como el comportamiento de los residuos dentro del lecho y mejorar así la comprensión de los procesos que afectan la vaporización de los metales pesados -MP-. El objetivo general de este trabajo es el de formular un modelo completo de una partícula de RSU reconstituido e impregnada con MP, quemada en un incinerador de lecho fluidizado de laboratorio que permita la evaluación de la velocidad de vaporización de metales pesados (Cd y Pb) y la combustión simultánea de las partículas sólidas durante su incineración. Para ello, se han formulado dos modelizaciones a nivel local: el primer enfoque basado en consideraciones fenomenológicas, y un segundo modelo desarrollado en la plataforma de CFD ANSYS FLUENT 14.0, de carácter más riguroso. Ambos enfoques contemplan la no uniformidad térmica en el interior de las partículas de RSU, pirólisis, combustión homogénea de los gases de pirólisis y combustión heterogénea del residuo carbonoso. Si bien ambas formulaciones describen a la vaporización del MP como un proceso dependiente de la temperatura de la partícula, el modelo fenomenológico considera el desprendimiento del MP bajo consideraciones de equilibrio termodinámico mientras que la formulación CFD se sustenta en un enfoque cinético. Los resultados obtenidos son contrastados con datos experimentales obtenidos en las instalaciones experimentales del laboratorio PROMES. La comparación muestra que el modelo local CFD propuesto representa muy bien la evolución del desprendimiento de MP para el rango de temperaturas analizado, indicando que la temperatura del lecho influye significativamente en la dinámica de vaporización de los MP. Adicionalmente, se ha estudiado la transferencia de calor, en escala local, entre objetos sumergidos y lechos fluidizados por CFD. Se evaluó el coeficiente de transferencia de calor de la fase densa y su contribución radiante. Los resultados se compararon con datos experimentales reportados en bibliografía y con los valores predichos por el Modelo Heterogéneo Generalizado -MHG- formulado y validado por Mazza y col. (1997). Las simulaciones en CFD se encuentran en muy buena concordancia tanto con los datos experimentales como con las predicciones teóricas del MHG, validando esta metodología como fuente confiable en la determinación cuantitativa del proceso de transferencia de calor estudiado. Finalmente, se ha simulado la fluidodinámica del incinerador de lecho fluidizado experimental y su interacción con una partícula de RSU durante su residencia en el lecho. Esta partícula fue tratada con un enfoque lagrangiango original, adaptado para partículas grandes. A los fines de estudiar la influencia de la fluidodinámica del lecho en la velocidad de desprendimiento de MP, se llevó a cabo el acoplamiento entre el modelo CFD del incinerador con la modelización en escala local, al nivel de la partícula. Así, este modelo sirve como fuente de variables del entorno de la partícula que se utilizan en la escala local. Con esta metodología se elimina la hipótesis de velocidad relativa de gas constante, lo que representa una mejor aproximación al comportamiento real del fenómeno estudiado, ya que con este nuevo enfoque no es necesario suponer la condición en el exterior inmediato a la partícula. Los resultados obtenidos indican que la fluidodinámica del lecho incide sensiblemente en la velocidad de combustión heterogénea, generando perfiles de temperatura internos que afectan considerablemente la velocidad de vaporización del MP al nivel de la partícula. Información suministrada por el agente en SIGEVA