Diseño de un sistema de distribución de gases de combustión para alimentar una granja de fotobiorreactores en la planta de cementos argos en Cartagena

Abstract

El presente trabajo desarrolla un sistema de distribución de gases de combustión para alimentar una granja de FBRs en la planta de Cementos Argos en Cartagena, optimizando tanto la disposición espacial de los reactores como la red de transporte de gases desde el horno de Clinker hasta los FBRs. Para lograr este objetivo, se empleó un enfoque basado en simulaciones de dinámica de fluidos computacional (CFD) acopladas a un modelo de radiación solar mediante el método Monte Carlo, lo que permitió evaluar la captación de irradiancia solar en los FBRs y su impacto en la producción de biomasa. Además, se diseñó y optimizó la red de distribución de gases de combustión, considerando factores como la caída de presión, la eficiencia de los sopladores y las condiciones de operación del sistema. El estudio incluyó una evaluación detallada del impacto del espaciamiento y la alineación de los FBRs en la captación de radiación solar. Se analizaron diversas configuraciones en las que se variaron el espaciamiento entre reactores dentro de los módulos y el ángulo de alineación respecto al norte geográfico. Los resultados indicaron que un espaciamiento de 0.5𝑚 y un ángulo de alineación de 16.2° respecto al norte en dirección este maximiza la captación de irradiancia y, en consecuencia, la producción de biomasa para la zona geográfica de estudio. Esta disposición permite minimizar las sombras proyectadas entre los FBRs, optimizando el aprovechamiento de la luz solar durante el día, asegurando una mayor eficiencia fotosintética para la captura de 𝐶𝑂₂, y consecuentemente, incrementando la producción de biomasa microalgal a lo largo del año.Abstract This work develops a combustion gas distribution system to supply a PBR farm at the Cementos Argos plant in Cartagena, optimizing both the spatial arrangement of the reactors and the gas transport network from the clinker kiln to the PBRs. To achieve this objective, an approach based on computational fluid dynamics (CFD) simulations coupled with a solar radiation model using the Monte Carlo method was employed, allowing the evaluation of solar irradiance capture in the PBRs and its impact on biomass production. Additionally, the combustion gas distribution network was designed and optimized, considering factors such as pressure drop, blower efficiency, and system operating conditions. The study included a detailed evaluation of the impact of PBR spacing and alignment on solar radiation capture. Various configurations were analyzed by varying the reactor spacing within the modules and the alignment angle relative to geographic north. The results indicated that a spacing of 0.5𝑚 and an alignment angle of 16.2° east of north maximizes irradiance capture and, consequently, biomass production for the study region. This arrangement minimizes shading between PBRs, optimizing solar light utilization during the day, ensuring greater photosynthetic efficiency for 𝐶𝑂₂ capture, and consequently increasing microalgal biomass production throughout the year.