Modelamiento y simulación de la pirolisis de una partícula de lodo de aguas residuales en un lecho fluidizado

Abstract

Resumen: Los lodos de aguas residuales o biosólidos son el remanente de los sistemas de tratamiento de aguas residuales de una ciudad o una comunidad en específico. Estos, si no se disponen de manera efectiva, representan un problema para la salud pública, dado que contienen una gran cantidad de patógenos y sustancias contaminantes. Una de las forma de disponer los biosólidos es a través del proceso de gasificación en lecho fluidizado. El proceso de gasificación, es algo complejo y consta básicamente de cuatro etapas: secado, pirolisis, gasificación y combustión. En aras de comprender mejor este proceso, se propone un modelo fisicoquímico para una partícula de biosólido aislada en un reactor de lecho fluidizado. Del mismo modo, las cinéticas utilizadas aquí y que mejor describen la pirolisis de biosólidos son: las cinéticas en serie-paralelo del tipo global. Estas cinéticas, agrupan en un solo término, denominado componente, una gran cantidad de compuestos similares. Esta aproximación por componentes, reduce la complejidad del problema, ya que en todo el proceso existen en cada momento cinco componentes: materia orgánica, intermediario, gas, char y alquitrán. Además, para no especular con el tiempo de integración, se decide utilizar la herramienta CFD para conocer el tiempo que tarda una partícula en recorrer un lecho fluidizado. Así, el tiempo obtenido en el CFD se usa en el modelo. El modelo presenta buenas correlaciones con los resultados experimentales, no solo para el biosólido, sino, con pequeñas modificaciones da buenos resultados para el bagazo de caña. Por otra parte, El modelo, por sí solo, no da información acerca de las dinámicas intrínsecas. En este caso, se complementa con el desarrollo de los números adimensionales de secado (Dth), pirolisis (Py), gasificación (Ngas) y combustión (Ncomb). El número de pirolisis ya se propuso anteriormente, pero no se trabajó en la forma que aquí se hizo. De ahí, que el uso conjunto del modelo y de los número adimensionales, permiten conocer no solo la cantidad de cada componente producida, sino, cuáles son las etapas dominantes en cada instante del proceso y la importancia relativa de la transferencia de calor en el sistema

Abstract: Sewage sludge or biosolids are either city or specific community sewage sludge treatment plant by-product. If this does not have an adequate final disposal, it represents potential threats to public health due to their pathogens and biohazard content. One way of sewage sludge final disposal is through fluidized bed gasification process. This process is quite complicated and consists basically of four stages: drying, pyrolysis, gasification and combustion. In order to achieve a better comprehension of this process, a physicochemical model of an isolated particle in a fluidized bed reactor is proposed. So, the more suitable chemical kinetics, and the ones used here, to describe the sewage sludge gasification process are: consecutive-parallel chemical kinetics of global type. This chemical kinetic, lump in one term, called component, a great amount of similar compounds. This component approach reduces problem complexity, because at each time in the whole process just exist five components: organic matter, intermediate, gas, char and tar. Moreover, the CFD computational tool is aimed to know the particle residence time in a fluidized bed reactor. The time obtained due to CFD tool, is used in the model as the integration time in the model. The results obtained in the model have a good correlation with those found by experimentation. This correlation is good, not only for the sewage sludge experimental data but for sugar cane bagasse experimental data as well. The correlation with the latter was achieved by varying a few numbers of parameters. Nevertheless, the physicochemical model by its own is not capable to produce information about internal dynamics. In such a case, dimensionless numbers are developed, and they are so called dimensionless number: of drying (Dτh), pyrolysis (Py) (Ngas), gasification and combustion (Ncomb). The pyrolysis number has been proposed early, but has not been used in the same way as was used here. Hence, the coupling between the model and the dimensionless numbers let us the capability to know not only the amount of each yield component but also the key stages at every process time and the heat transfer relative importance