Autor: PAREDES GALLO, Roberto
Título: Numerical and Computational Modelling of Solid Fuels Flammability
Fecha: 2025
Materia: ---
Escuela: E.T.S.I. DE MINAS Y ENERGÍA
Departamento: ENERGIA Y COMBUSTIBLES
Acceso electrónico: https://oa.upm.es/89482/
Director/a(s):
- Director/a: CASTELLS SOMOZA, Blanca
Resumen: The flammability risk assessment of solid fuels has become a major research topic in the contemporary industrial landscape, marked by safety regulations and environmental considerations. In this doctoral thesis, the flammability and explosivity characteristics of solid fuels were examined in depth, to create novel numerical and computational models to improve industrial safety procedures. To assess ignition sensitivity and explosion severity, the study technique consisted of a methodical investigation of biomass and coal samples using thermogravimetric analysis and standardised test protocols. The research produced several methodological advances in industrial safety assessments as a result of this extensive methodology. One novel development was the creation of a new technique for differential analysis of thermogravimetric curves to predict the minimum ignition temperature of dust layers. This new method, which resulted in a significant improvement in testing efficiency and optimisation of resources, used only 60 mg of sample material and produced excellent accuracy with an error of 2.25% compared to experimental results. In addition, a strong correlation between the ignition temperature of the powder layers and the amount of hemicellulose present was determined in this study, providing important new information on biomass composition and ignition properties. The study provided important new information on the role of hemicellulose as an inert heat sink through the release of CO and the production of flammable volatiles by cellulose and lignin. This relationship, which has an R2 = 0.98, represents a breakthrough in the knowledge between flammability risk and substance composition. On the other hand, in order to characterise the tendencies to spontaneous combustion using numerical techniques, the research presents a new index, the RB Index. This new index provides a better understanding of the risk factors for self-heating in industrial environments. A complex method was also developed to simulate the minimum ignition temperature of dust clouds using an optimised five-parameter expression related to inherent material characteristics. In the same way, a new index was also developed to quantify the oxidative potential of solid fuels as high-energy explosives. This index provided a more accurate way of assessing the oxidative potential in industrial materials from the immediate analysis values, achieving a correlation of R2 = 0.99, compared to conventional oxygen balance techniques. The TNT equivalent method was also employed to simulate maximum overpressure results in the 20-litre sphere using the Viper::Blast software. This method showed a high accuracy of the peak pressure value. On the other hand, the accuracy of the (dP/dt)max parameter was increased by almost 80% by implementing an empirical factor of 1.65. Beyond the theoretical advances, the practical consequences of this study provide industrial facilities with new approaches to risk assessment and risk management. Therefore, this research contributes to the theoretical understanding of solid fuel combustion behaviour and offers feasible and realistic solutions for industrial safety applications. The combination of computational simulation, numerical modelling and experimental validation creates a solid basis for further studies and real-world industrial safety management applications. RESUMEN La evaluación de los riesgos de la inflamabilidad de los combustibles sólidos se ha convertido en un tema de investigación determinante en el panorama industrial contemporáneo, marcado por las normativas de seguridad y las consideraciones medioambientales. En esta tesis doctoral se examinaron a fondo las características de inflamabilidad y explosividad de los combustibles sólidos, con el objetivo de crear modelos numéricos y computacionales novedosos para mejorar los procedimientos en materia de seguridad industrial. Para evaluar la sensibilidad a la ignición y la severidad a la explosión, la técnica de estudio consistió en una investigación metódica de muestras de biomasa y carbón mediante análisis termogravimétricos y protocolos de ensayo normalizados. La investigación produjo varios avances metodológicos en las evaluaciones de seguridad industrial como resultado de esta extensa metodología. Un desarrollo novedoso fue la creación de una nueva técnica de análisis diferencial de curvas termogravimétricas para predecir la temperatura mínima de ignición de las capas de polvo. Este nuevo método, que supuso una importante mejora en la eficacia de las pruebas y la optimización de los recursos, utilizó sólo 60 mg de material de muestra y produjo una excelente precisión con un error del 2,25% en comparación con los resultados experimentales. Además, en este estudio fue determinada una fuerte correlación entre la temperatura de ignición de las capas de polvo y la cantidad de hemicelulosa presente, ofreciendo nueva información importante sobre la composición de la biomasa y las propiedades de ignición. El estudio aportó nueva información importante sobre la función de la hemicelulosa como sumidero de calor inerte a través de la liberación de CO y la producción de volátiles inflamables por parte de la celulosa y la lignina. Esta relación, que tiene un valor R2 = 0,98, supone un gran avance en el conocimiento entre el riesgo de inflamabilidad y la composición de la sustancia Por otro lado, con el objetivo de caracterizar las tendencias a la combustión espontánea mediante técnicas numéricas, la investigación presenta un nuevo índice, el Índice RB. Gracias a este nuevo índice se comprenden mejor los factores de riesgo de autocalentamiento en entornos industriales. También se creó un método complejo para simular la temperatura mínima de ignición de las nubes de polvo mediante una expresión optimizada de cinco parámetros relacionada con las características inherentes al material. De la misma forma, también fue desarrollado un nuevo índice para cuantificar el potencial oxidativo de los combustibles sólidos como explosivos de alta energía. Este índice proporcionó una forma más precisa de evaluar el potencial oxidativo en materiales industriales a partir de los valores del análisis inmediato, alcanzando una correlación de R2 = 0,99, en comparación con las técnicas convencionales de balance de oxígeno. También se empleó el método del equivalente TNT para simular los resultados de presión máxima en la esfera de 20 litros utilizando el programa Viper::Blast. Este método mostró una gran exactitud en cuanto al valor de la presión máxima. Por otro lado, se aumentó la precisión del parámetro (dP/dt)max en casi un 80% al implementar un factor empírico de 1,65. Más allá de los avances teóricos, las consecuencias prácticas de este estudio proporcionan a las instalaciones industriales nuevos enfoques para la evaluación y gestión de riesgos. Por todo ello, esta investigación contribuye al conocimiento teórico del comportamiento de la combustión de combustibles sólidos y ofrece soluciones factibles y realistas para aplicaciones en materia de seguridad industrial. La combinación de simulación computacional, modelización numérica y validación experimental crea una base sólida para estudios posteriores y aplicaciones de gestión de la seguridad industrial en el mundo real.