Modelo numérico simple de la combustión de un tronco de madera cilíndrico

Abstract

Se presenta un modelo unidimensional para la combustión de un rolo cilíndrico de madera considerando volúmenes finitos en coordenadas radiales. El proceso es modelado por cuatro fenómenos: secado, pirólisis, combustión y gasificación. Los frentes de reacción avanzan hacia el centro del rolo determinando regiones de biomasa húmeda en proceso de secado, zonas de biomasa en ausencia de oxígeno donde predomina la pirólisis, zonas en presencia de oxígeno donde coexisten la combustión y gasificación del carbón y zona de combustión de gases. El avance de los frentes dependerá de las temperaturas de los diferentes volúmenes, de la concentración de los gases en la interfaz solido-gas, la porosidad, tortuosidad, conductividad de la biomasa y flujo de calor desde el entorno. Las reacciones de pirólisis, gasificación y combustión del carbón son modeladas a partir de ecuaciones de la forma de Arrhenius. Mediante este modelo, se pretende determinar, para rolos de madera de hasta 16 cm de diámetro, el grado de reacción de la madera, los gradientes de temperatura, flujos y concentración de los gases a través de las fronteras en función del tiempo y de las condiciones de borde.

A one-dimensional model for the combustion of a wooden log is presented considering finite volumes in radial coordinates. The process is modeled by four phenomena: drying, pyrolysis, gasification and combustion. The reaction fronts advance to the center of the log, determining areas of wet biomass in drying process, biomass in the absence of oxygen where pyrolysis predominates, zones in the presence of oxygen where char combustion and gasification coexist and flame zone (gas combustion). The reaction fronts advance depends on the temperatures of the different volumes, the concentrations of gases at the solid-gas interface, porosity, tortuosity and conductivity of the biomass and heat transfer from the surroundings. The pyrolysis, gasification and combustion reactions are modeled by equations depending on Arrhenius parameters. This model can be coupled to a gas combustion model in fixed-bed furnaces. Taking as input the conditions of the gas flow on the surface of the wood log and the heat transfer by thermal radiation, the model should provide as outputs the composition, the flow and the temperature of gases leaving the wood log, as well as the temperature and composition fields inside the cylinder.