Cenizas en las calderas: el caso de un modelo computacional que aspira a convertirse en referente para la industria regional

Profesor e investigador de la Escuela de Ingeniería Mecánica, Albio D. Gutiérrez, coautor de la investigación. Crédito: Oficina de Comunicaciones Facultad de Ingeniería.

La acumulación excesiva de cenizas en las superficies de las calderas de combustibles sólidos como el carbón o la biomasa suelen producir problemas cuando se forman depósitos de manera excesiva, produciendo lo que se conoce en inglés como “slagging”. Estas acumulaciones afectan la eficiencia energética y crean problemas asociados con el mantenimiento, operación y seguridad del personal. El desarrollo y puesta en práctica de un modelo computacional basado en el concepto de gemelos digitales de la tecnología 4.0 permite atacar esta problemática, al ofrecer estimaciones y análisis para la toma de decisiones en tiempos más cortos, sin las dificultades derivadas de procesos invasivos, lo que se traduce a su vez en una oportunidad para considerar y disminuir problemáticas a futuro.

Calderas de carbón y la problemática asociada a los residuos en su interior

Calderas de carbón como las utilizadas por la industria papelera de la región constantemente se enfrentan a una problemática derivada de su operación, pues las altas temperaturas con las que se trabaja convierten las cenizas resultantes de tales procesos en la causa de problemas operativos. Frente a esto, el investigador y profesor de la Escuela de Ingeniería Mecánica Albio D. Gutiérrez, en coautoría con Stefany Saenz Prado, estudiante de Maestría en Ingeniería con énfasis en Ingeniería Química, y el profesor Jaime Jose Acuña Polanco, de la Escuela de Ingeniería de los Recursos Naturales y del Ambiente (Eidenar), desarrollaron y pusieron en práctica un modelo basado en gemelos digitales que utilizan la mecánica computacional de fluidos (CFD, por sus siglas en inglés) para dar respuesta a la problemática de "slagging" en una caldera de potencia de 95 MW ubicada en una empresa papelera del sector industrial de Yumbo, Valle del Cauca. La caldera produce vapor utilizado para la generación de potencia y el secado de la pulpa en los molinos de papel. Se trata de un equipo de gran tamaño, cercano a un edificio de seis pisos.

“Las calderas cuentan con sistemas de remoción de cenizas, pero si la temperatura es muy alta las cenizas se funden y se pegan de las superficies, en este caso se pegan de las paredes y afectan la transferencia de calor”, explica el profesor Albio D. Gutiérrez, y agrega que el propósito detrás de estas calderas es el de mantener una óptima transferencia de calor que genere vapor suficiente para cumplir con el proceso de fabricación de pulpas celulósicas de papel y cartón. El proceso de acumulación de cenizas en las paredes en forma de depósitos duros (slagging) impide la transferencia de calor al agua y produce un aumento en la temperatura de combustión al interior de la caldera, que puede comprometer la integridad del equipo, causando, como ya ha ocurrido, la fundición de componentes de la caldera. Esto trae perjuicios en términos, económicos, de seguridad y de productividad para las empresas.

Frente a esta problemática, la investigación se planteó tres objetivos. 1) capacitación a los operarios para un mejor uso al carbón, considerando la variabilidad de los yacimientos, cantidad de ceniza producida según el tipo de carbón utilizado y su tendencia a adherirse a las paredes de las calderas. 2) construcción de un gemelo digital de la caldera utilizando tecnología 4.0, con base en CFD. Y 3) construcción de un modelo matemático de optimización de mezclas de carbón, para determinar su tendencia a formar “slagging”.

Los resultados del trabajo mostraron evidencias sólidas de la utilidad de los gemelos digitales, lo que abre las puertas a su uso en otros sectores de la industria regional.

Gemelos digitales basados en la mecánica computacional de fluidos, un modelo con gran potencial para el sector industrial en la región

El modelo utilizado para analizar la caldera incluye sus condiciones de frontera y la complejidad de las condiciones de flujo y fenómenos de transporte asociados. Este modelo es posible gracias a su discretización en geometrías de menor tamaño. Se trata de miles a millones de pequeños elementos de volumen en relación al tamaño del equipo. Estos elementos están unidos por medio de la tecnología de algoritmos y computación de alto desempeño. Los elementos intercambian la información que resulta de resolver las ecuaciones que describen los fenómenos físicos del problema, como las ecuaciones de conservación de masa, momento, energía y reacciones químicas. Como resultado se obtiene múltiple información relacionada con campos de velocidad, temperatura, especies químicas, cantidades de transferencia de calor, etc. Esto permite determinar, por ejemplo, qué tan bien se quema el combustible en la caldera y qué tan eficiente es la transformación energética.

Un aspecto particular del trabajo frente a la problemática del "slagging" en la caldera es que se optó por una metodología más práctica a la que se suele utilizar en el área de investigación. En su lugar, la creación del gemelo digital se abordó desde un enfoque más práctico para la industria. “Cuando se analiza el fenómeno de adherencia de cenizas en una caldera, el estado del arte muestra métodos que son bastante complejos y costosos en términos computacionales”, cuenta el profesor Albio D. Gutiérrez. En lugar de modelar los complejos mecanismos de trayectorias de millones de partículas y la solución de la física asociada con las mismas y que determina la adherencia de la ceniza fundida a las paredes de la caldera, se prefirió hacer un levantamiento de información en la caldera aprovechando las paradas de mantenimiento. Este levantamiento de información considero específicamente las áreas afectadas por el “slagging”. Luego, esta información se incorporó directamente en el modelo. Esta metodología permitió reducir considerablemente el costo computacional y el tiempo asociado con la solución del problema.

Como resultado del trabajo se obtuvieron los siguientes hallazgos: en cuanto a la afectación a la eficiencia energética que produce la incrustación de la ceniza, se estimó una pérdida aproximada del 16% en la transferencia de calor y un incremento de temperatura cercano a 50°C. “Parece poco, pero cuando se va llegando a temperaturas límites, y cuando consideramos una cantidad de gases elevada, esto se traduce en una gran cantidad de energía y una posible afectación a la integridad estructural del equipo”, explica el profesor Gutiérrez.

La importancia de los gemelos digitales basados en CFD para la industria

Los avances en el desarrollo de tecnología 4.0 han permitido que modelos como estos permitan una medición personalizada, enfocada en las necesidades que se desean solucionar. “Con la información que tiene la industria, tal como planos y condiciones de operación, se puede crear un modelo que permite describir el comportamiento del equipo. Virtualmente se puede indicar qué composición hay en su interior, qué velocidad, a qué temperatura, a qué nivel de radiación, cuánta energía se está perdiendo, etc”, indica el profesor Albio D. Gutiérrez, y añade que el gemelo digital basado en CFD puede ser utilizado en otros campos de la industria, además de procesos térmicos. Su aplicación en la industria regional trae beneficios en procesos químicos, alimenticios, potabilización de agua, análisis de riesgos como inundaciones, huracanes, derrames de petróleo, energías renovables, dispersión de contaminantes en la atmosfera, e incluso en el campo médico, donde se utilizó  durante la pandemia para analizar la propagación de enfermedades aerobias en ambientes odontológicos y salas de cirugía. El propósito de esta tecnología es el de servir como guía, prevenir riesgos y reducir en tiempos y costos procedimientos direccionados a dar solución a problemáticas específicas a las que se enfrentan distintas industrias, tanto a nivel regional como nacional.

“Yo conozco esta tecnología gracias a mi formación doctoral y la experiencia y formación que recibí en la industria de Estados Unidos. Cuando trabajé en Tulsa, Oklahoma, para John Zink Hamworthy Combustion, filial de Koch Industries, aplicábamos estas tecnologías de valor a las compañías más grandes del mundo en los sectores de petróleo, gas, sector químico, petroquímico, farmacéutico, de alimentos y más. Para estas compañías, dábamos respuestas de valor, verificábamos condiciones de funcionamiento y preveníamos afectaciones a los equipos en tiempos de hasta tres semanas por proyecto. Mi intención con esta tecnología desde que regresé a Colombia para vincularme a la Universidad del Valle es la de continuar expandiéndola en las industrias de la región, para resolver problemas de corto, mediano y largo plazo. El caso del trabajo con la caldera es un típico problema de mediano e incluso de largo plazo. Nosotros trabajamos por tres años. La meta es fortalecer el acercamiento de la industria con la Universidad del Valle y beneficiar a aquella con respuestas de valor, no solo a mediano plazo como en este caso, sino para algo que se necesita resolver en cuestión de días”, son las palabras del profesor Albio D. Gutiérrez, quien el pasado 12 de mayo realizó un viaje en calidad de ponente representando a la Universidad del Valle en el evento Spring Technical Meeting of the Central States Section of The Combustion Institute, que tuvo lugar en Cleveland, Ohio, Estados Unidos. Durante el evento, el profesor mostró los resultados del trabajo realizado en la caldera. El trabajo despertó el interés de los asistentes por la practicidad con la que se resolvió el problema.

Además de realizar la presentación en el evento, el profesor aprovechó para conocer las investigaciones que se llevan a cabo en términos de la transición energética relacionada principalmente con la utilización de hidrogeno en sectores como energía, transporte y defensa. También, en el área de prevención de incendios forestales. Uno de las impresiones más interesantes del profesor Albio D. Gutierrez durante la participación en el evento fue que la mayoría de la investigación actual en los Estados Unidos se centra en la experimentación, y actualmente se necesitan muchos profesionales que puedan modelar fenómenos, equipos y procesos mediante gemelos digitales. Incluso, un representante de la National Science Foundation (NSF) de los Estados Unidos hizo un llamado durante un evento de clausura para que se vinculen más profesionales en el área de modelado computacional.

Al respecto de su participación en la conferencia, el profesor presentará un evento de divulgación ante la comunidad universitaria en los próximos días.

Si le interesa contactar a los investigadores o conocer más sobre el proyecto de investigación, escriba a la Oficina de Comunicaciones de la Facultad de Ingeniería: comunicaingenieria@correounivalle.edu.co