The Laboratory of Research in Fluid Dynamics and Combustion Technologies (LIFTEC by its Spanish acronym) is a joint center between the Spanish Scientific Research Council (CSIC) and University of Zaragoza.
The research activities at LIFTEC are dedicated to the study of various phenomena related to Fluid Dynamics, with special attention to environmental problems, including experimental, computational and theoretical techniques.
The main lines of research are:
Las instalaciones disponibles, y en particular el combustor semi-industrial, permiten realizar con agilidad ensayos en condiciones realistas y al mismo tiempo bien controladas, como medio más racional para caracterizar y desarrollar equipos de estas características. Cabe destacar que a pesar de la diferencia de escala (desde los 0.5 MW del combustor hasta los más de 40 MW térmicos en los equipos reales), mediante un diseño cuidadoso de los ensayos y la consideración de los parámetros adimensionales es posible obtener resultados aplicables a la escala real. Las comparaciones realizadas han demostrado que los prototipos construidos reproducen, tanto cualitativa como cuantitativamente, los resultados obtenidos en el laboratorio.
Además de la realización de estudios paramétricos para conocer el efecto de los parámetros geométricos y de operación, la instrumentación disponible permite realizar una completa caracterización del flujo, determinando las distribuciones espaciales de las variables relevantes en el interior de la llama (temperatura, velocidad, concentraciones de O2, CO, CO2, NO/NOx, UHC, SO2, partículas). La combinación de esta información detallada con estudios paramétricos de las diversas variables proporciona el conocimiento necesario para alcanzar los resultados óptimos.
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Se han desarrollado diversos proyectos dirigidos a quemadores de líquidos y, en concreto, de fuel-oil pesado. El efecto de las condiciones de operación (parámetros de inyección de aire, combustible y, en su caso, fluido auxiliar de atomización) ha sido objeto de estudios específicos. Un aspecto clave en la combustión de líquidos es la calidad de la atomización. Se han ensayado numerosas geometrías de atomizadores, mediante ensayos en una instalación específica capaz de inyectar hasta 800 kg/h de combustible, con presión y temperatura de hasta 80 bar y 150ºC . Como resultado, se han obtenido nuevos diseños de boquillas, que en ensayos de combustión posteriores han demostrado una importante reducción en niveles de inquemados. Dentro de este apartado pueden mencionarse también los estudios realizados sobre el uso de emulsiones fuel-oil/agua y gasoil/agua, así como de distintos tipos de aditivos.
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Llama de fuel oil pesado en combustor semi-industrial |
Uno de los proyectos realizados ha tenido como resultado el desarrollo de un quemador de baja emisión de NOx, para fuel-oil pesado y gas natural, y con una potencia térmica superior a 40 MW. Este quemador, denominado TENOX, ha sido patentado y es el único quemador nacional de bajo NOx y esta potencia de que se tiene noticia. El trabajo de desarrollo ha incluido varias fases, incluyendo un extenso estudio en el combustor semi-industrial, la validación de los resultados sobre una caldera de 20 MW y la construcción de prototipos de escala real.
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Prototipo de quemador TENOX (dual gas natural/fuel oil pesado, 40 MWt) |
Se han realizado diversos estudios en el combustor semi-industrial sobre la combustión de sólidos pulverizados, estudiando el efecto de los parámetros de inyección o la geometría del quemador. El quemador ha sido adaptado para quemar con buenos resultados una amplia variedad de tipos de carbones.
Los proyectos realizados también incluyen el análisis de distintas alternativas dirigidas a la combustión eficiente de biomasa pulverizada. Aparte de otras estrategias, se ha llevado a cabo la combustión en un mismo quemador de mezclas carbón-biomasa con distintas proporciones. El quemador ha operado también con 100% biomasa, consiguiendo excelentes resultados de estabilidad de llama y emisiones.
“Estudios y ensayos para la optimización de la combustión en sistemas de alta presión de fuel-oil pesado con atomización mecánica. Fase I – Atomización”, Financiación: OCIDE, Hidroeléctrica Española, Inv. Ppal: C. Dopazo, 1987-88
“Estudios y ensayos para la optimización de la combustión en sistemas de alta presión de fuel-oil pesado con atomización mecánica. Fase II – Combustión”, Financiación: OCIDE, Hidroeléctrica Española, Inv. Ppal: C. Dopazo, 1988-91
“Reducción de emisiones contaminantes en centrales de carbón mediante combustión escalonada con gas natural”, Financiación: OCIDE, OCIGAS, Endesa, ENAGAS, Cía Sevillana de Electricidad, Inv. Ppal: C. Dopazo, 1992-94
“Combustión de fuel-oil pesado y sus emulsiones con agua+aditivos”, Financiación: Hidroeléctrica de Cataluña, Inv. Ppal: J. Ballester, 1992-93
“Reducción de las emisiones de NOx en calderas de gas natural y fuel-oil mediante combustión controlada”, Financiación: OCIDE, Térmicas del Besós, Inv. Ppal: C. Dopazo, 1992-95
“Estudio de la combustión de gasoil y gasoil tratado por polarizadores”, Financiación: Ronser, Inv. Ppal: J. Ballester, 1998
“Co-firing of biomass, coal waste and coal on mining sites for electricity generation (COBIOCOWA)”, Financiación: Unión Europea, Inv. Ppal: J. Ballester, 1998-2001.
“Investigación y desarrollo de bioetanol para automoción, I+DEA2”, Financiación: CDTI, Programa CENIT, Inv. Ppal: J. Ballester, 2007-11.
Una buena parte de los Proyectos de I+D desarrollados han estado dirigidos a la reducción de emisiones de sustancias contaminantes, cubriendo un amplio espectro de aplicaciones.
Algunos de los estudios realizados tienen como objetivo la reducción de la emisión de partículas en sistemas de combustión de fuel-oil pesado. El problema medioambiental de este material particulado puede agravarse por la condensación de compuestos de azufre, que lo convierten en hollines ácidos, todavía más nocivos.
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| Microfotografía SEM de partículas (cenosferas) emitidas en combustión de fuel-oil pesado, con distinto grado de oxidación | |
En general, un objetivo paralelo que acompaña la reducción de partículas es una menor emisión de CO. A lo largo de diversos trabajos se han analizado las posibilidades de diversas estrategias, comprobando que, en función del caso concreto, todas ellas pueden proporcionar resultados muy positivos, llegando a conseguirse reducciones en la emisión de partículas superiores al 80%:
El control de las emisiones de óxidos de nitrógeno (NOx) ha sido el objetivo de varios de los estudios realizados. Las estrategias analizadas han estado dirigidas al control de la aerodinámica de la llama y del patrón de mezcla, encuadrándose dentro de las denominadas ‘medidas primarias'.
El equipo TENOX es un quemador de “bajo-NOx”, diseñado para la combustión de gas natural y fuel oil. Este quemador es el resultado de un extenso programa experimental en laboratorio, complementado con una campaña de pruebas para la puesta a punto y demostración de un prototipo con gas natural.
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Llama de bajo NOx por escalonamiento de combustible |
Gracias a su flexibilidad, este equipo admite un amplio rango de modos de funcionamiento, que incluyen medidas primarias de control de formación de NOx, como son el ‘escalonamiento de aire' y el ‘escalonamiento de combustible'. Mediante un ajuste adecuado de los parámetros del quemador, puede conseguirse implementar cualquiera de las dos estrategias que, a través del control del patrón de mezcla aire/combustible, proporcionan una emisión de NOx notablemente baja, manteniendo en todos los casos una excelente estabilidad de llama y una mínima emisión de inquemados sólidos y gaseosos.
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| Resultados con modelo y prototipo TENOX. Izq: Gas natural, en modelo y prototipo. Dcha: Fuel oil pesado. | |
Otro de los métodos estudiados ha sido la técnica de ‘reburning', consistente en la inyección de un combustible secundario aguas abajo de la llama principal, con objeto de crear una zona reductora donde una fracción (que puede alcanzar el 70%) del NOx generado es eliminado. Se ha realizado un extenso estudio de la aplicación de reburning en sistemas de carbón pulverizado, utilizando gas natural como combustible secundario. El trabajo incluye la evaluación de los resultados, trabajando con dos tipos de carbón, y en función de las principales variables: reparto de potencia entre combustibles, tiempo de residencia en la zona de reburning, relaciones de estequiometría en las tres zonas de combustión, temperatura en la zona de reburning. Adicionalmente, se realizó un estudio detallado en los casos más relevantes, determinando la distribución espacial de temperatura y especies químicas (O2, CO2, CO, NO/NOx, UHC, N2O, HCN, NH3).
La técnica de reburning se ha ensayado también utilizando biomasa pulverizada como combustible secundario. Como resultado se ha acumulado información completa acerca de las posibilidades de la biomasa en este tipo de aplicaciones, determinando la influencia de los diversos parámetros y obteniendo una caracterización detallada de la evolución de las especies químicas en las distintas zonas de combustión.
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Configuración de reburning en combustor semi-industrial |
Otro campo de trabajo es el relacionado con la emisión de partículas submicrónicas en sistemas de combustión. Este rango es el más problemático debido tanto a sus efectos especialmente nocivos para la salud, como por su dificultad de retención en los sistemas de depuración de humos. El grupo ha participado en la evaluación del ‘aglomerador acústico', desarrollado por el Instituto de Acústica del CSIC, y que constituye una aproximación novedosa para aumentar la eficiencia de los sistemas de retención de partículas. Actualmente se está llevando a cabo un programa de investigación dirigido al estudio de los fenómenos de formación de partículas submicrónicas en sistemas de combustión de carbón y biomasa, como medio más racional para abordar el diseño de medidas que reduzcan las emisiones de este contaminante desde su etapa de formación.
“Estudios y ensayos para la optimización de la combustión en sistemas de alta presión de fuel-oil pesado con atomización mecánica. Fase I – Atomización”, Financiación: OCIDE, Hidroeléctrica Española, Inv. Ppal: C. Dopazo, 1987-88
“Estudios y ensayos para la optimización de la combustión en sistemas de alta presión de fuel-oil pesado con atomización mecánica. Fase II – Combustión”, Financiación: OCIDE, Hidroeléctrica Española, Inv. Ppal: C. Dopazo, 1988-91
“Reducción de emisiones contaminantes en centrales de carbón mediante combustión escalonada con gas natural”, Financiación: OCIDE, OCIGAS, Endesa, ENAGAS, Cía Sevillana de Electricidad, Inv. Ppal: C. Dopazo, 1992-94
“Combustión de fuel-oil pesado y sus emulsiones con agua+aditivos”, Financiación: Hidroeléctrica de Cataluña, Inv. Ppal: J. Ballester, 1992-93
“Reducción de las emisiones de NOx en calderas de gas natural y fuel-oil mediante combustión controlada”, Financiación: OCIDE, Térmicas del Besós, Inv. Ppal: C. Dopazo, 1992-95
“Co-firing of biomass, coal waste and coal on mining sites for electricity generation (COBIOCOWA)”, Financiación: Unión Europea, Inv. Ppal: J. Ballester, 1998-2001.
“Estudio de la formación, deposición y retención de partículas en sistemas de generación de energía a partir de combustibles sólidos pulverizados”, Financiación: DGES, PB 97-0159-C03-02, Inv. Ppal: J. Ballester, 1998-2001
“Desarrollo de filtros acústicos para la aglomeración y separación de micropartículas en gases de combustión”, Financiación: OCIDE, Endesa, Inv. Ppal: J. Ballester, 1998-2000
“Transporte y deposición de aerosoles dispersos en flujos laminares y turbulentos”, Financiación: MCyT, BFM2001-1314-C03-03, Inv. Ppal: J. Ballester, 2001-04
“Medida automática de gases en caldera para reducción de emisiones y optimización de la combustión”, Financiación: MEC – Plan Nacional de Energía, FIT-120000-2004-153, Inv. Ppal: J. Ballester, 2004-05
“Revisión bibliográfica de las soluciones para disminuir emisiones de partículas y NOx en instalaciones de combustión”, Financiación: Repsol YPF, Inv. Ppal: J. Barroso y J. Ballester, 2007
“Enhanced capture with oxygen for scrubbing of CO2 (ECO-Scrub)”, Financiación: UE, RFC-PR-06026, Inv. Ppal: J. Ballester, 2007-10
La utilización de carbón pulverizado para generación de energía constituye uno de los principales campos de actividad del grupo. Los temas abordados son muy diversos:
• Caracterización de llamas de carbón pulverizado
• Reducción de emisiones de óxidos de nitrógeno
• Co-combustión con biomasa
• Formación de cenizas volantes
• Formación, emisión y retención de partículas submicrónicas
• Control avanzado de la combustión
• Formación de depósitos de cenizas
• Desarrollo de técnicas ópticas de diagnóstico para la medida de temperatura, tamaño y velocidad de partículas durante la combustión
• Estudios de reactividad
La mayor parte de estos temas se tratan dentro de los epígrafes correspondientes a otras líneas de I+D, por lo que no se considera necesario describirlos nuevamente aquí.
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Medida de la distribución de NOx en dos llamas de carbón |
Una de las líneas de trabajo en las que el grupo está desarrollando una actividad creciente es la caracterización de distintos combustibles. El objetivo básico es obtener información fiable sobre la ‘reactividad' del material, dado que es bien conocido que los análisis ‘convencionales' (inmediato y elemental) no representan adecuadamente el comportamiento real de los combustibles.
El procedimiento desarrollado se basa en la realización de ensayos en el Reactor de Flujo Laminar del LCI. Esta instalación reúne las propiedades de permitir un control preciso sobre las condiciones de combustión y de simular de forma realista el ambiente de combustión en el interior de grandes calderas (en términos de temperatura, composición de gases o tiempo de residencia). El programa de ensayos puede incluir todas o algunas de las siguientes etapas:
• Preparación del combustible (molienda, tamizado y determinación de distribución de tamaños)
• Realización de ensayos de combustión en distintas condiciones de temperatura y concentración de oxígeno.
• Realización de ensayos de devolatilización (en atmósfera de nitrógeno) a distintas temperaturas.
• Captación de muestras de partículas (char) a distintos niveles (equivalente a distintos tiempos de residencia)
• Análisis químico de las muestras obtenidas
• Determinación de la evolución de tamaños de partícula mediante difractometría láser.
• Procesado de la información para la obtención de las ‘curvas de combustión' (evolución del nivel de inquemados en función del tiempo de residencia).
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Partículas de carbón (char): devolatilizado (izq.) y tras combustión parcial (dcha.) |
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Una posible forma de explotación de los resultados consiste en comparar las curvas de combustión de distintos combustibles, bajo las mismas condiciones de ensayo. Este tipo de análisis proporciona información inmediata sobre el comportamiento relativo de diversos tipos de combustibles. Por ejemplo, puede servir para analizar la reactividad de un nuevo tipo de combustible (directamente relacionado con la emisión de inquemados), por comparación con el carbón utilizado normalmente.
Mediante un programa de ensayos diseñado específicamente, los resultados experimentales pueden procesarse para obtener los parámetros cinéticos asociados a cada tipo de carbón. Estos parámetros incluyen el factor de frecuencia y la energía de activación (además de otros relacionados con la evolución de tamaño y densidad) asociados a una expresión de tipo Arrhenius asociada a la combustión heterogénea. Se trata, por tanto, de una caracterización de validez ‘universal' (en realidad, para un rango de condiciones muy amplio), obtenida en condiciones representativas de los sistemas reales. Conocidos estos parámetros, puede calcularse la evolución del combustible en distintas situaciones (para cualquier combinación de valores de temperatura, nivel de oxígeno, tamaños de partícula o tiempo de residencia).
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| Partícula de ceniza volante de apariencia cristalina |
Proyectos relacionados:
“Reducción de emisiones contaminantes en centrales de carbón mediante combustión escalonada con gas natural”, Financiación: OCIDE, OCIGAS, Endesa, ENAGAS, Cía Sevillana de Electricidad, Inv. Ppal: C. Dopazo, 1992-94
“Estudio experimental y teórico de los procesos de formación, deposición y transformaciones de las cenizas volantes en combustión de carbón pulverizado”, Financiación: DGICYT, Inv. Ppal: C. Dopazo, 1995-98
“Estudio de combustión de lignitos con alto contenido de cenizas para la minimización de problemas operacionales”, Financiación: DGA, Inv. Ppal: J. Ballester, 1996-99
“Application of advanced modelling techniques for coal utilisation processes”, Financiación: CECA, Inv. Ppal: J. Ballester, 1997-2000
“Development of improved ash deposition under low NOx conditions for coals and coal blends”, Financiación: CECA, Inv. Ppal: J. Ballester, 1998-2002
“Co-firing of biomass, coal waste and coal on mining sites for electricity generation (COBIOCOWA)”, Financiación: Unión Europea, Inv. Ppal: J. Ballester, 1998-2001
“Estudio de la formación, deposición y retención de partículas en sistemas de generación de energía a partir de combustibles sólidos pulverizados”, Financiación: DGES, PB 97-0159-C03-02, Inv. Ppal: J. Ballester, 1998-2001
“Desarrollo de filtros acústicos para la aglomeración y separación de micropartículas en gases de combustión”, Financiación: OCIDE, Endesa, Inv. Ppal: J. Ballester, 1998-2000
“Development of innovative instrumental techniques for coal combustion (DITEC)”, Financiación: CECA, Inv. Ppal: J. Ballester, 1999-2003
“Caracterización de la combustión de carbones y coques”, Financiación: Endesa, Inv. Ppal: J. Ballester, Diversos estudios en el periodo 2000-04
“Caracterización cinética de carbones pulverizados”, Financiación: Soluziona Ingeniería, Inv. Ppal: J. Ballester, 2002
“Transporte y deposición de aerosoles dispersos en flujos laminares y turbulentos”, Financiación: MCyT, BFM2001-1314-C03-03, Inv. Ppal: J. Ballester, 2001-04
“Desarrollo de herramientas de diseño y análisis para aplicaciones de combustión y co-combustión de biocombustibles pulverizados”, Financiación: MEC - Plan Nacional de Energía, ENE-2004-08060-C02-02, Inv. Ppal: J. Ballester, 2004-07
“Estudio para la optimización de las condiciones de operación en plantas de combustión y co-combustión de biomasa y carbón”, Financiación: DGA – Depto. Investigación, Innovación y Desarrollo, PM025, Inv. Ppal: J. Ballester, 2004-06
“Combustión y co-combustión de hulla y coque de petróleo”, Financiación: Endesa Generación S.A., Inv. Ppal: S. Jiménez y J. Ballester, 2005
“Estudio de la combustión de lignitos pardos y carbones de importación de altos volátiles”, Financiación: Endesa Generación S.A., Inv. Ppal: S. Jiménez y J. Ballester, 2005-06
“Caracterización de Cynara Cardunculus como combustible y estudio de la co-combustión con carbones nacionales”, Financiación: Endesa Generación S.A., Inv. Ppal: S. Jiménez y J. Ballester, 2005-06
“Enhanced capture with oxygen for scrubbing of CO2 (ECO-Scrub)”, Financiación: UE, RFC-PR-06026, Inv. Ppal: J. Ballester, 2007-10
“Estudio de caracterización de la combustión de tres tipos de biomasas pulverizadas y análisis de aplicaciones de co-combustión”, Financiación: Endesa Generación S.A., Inv. Ppal: S. Jiménez y J. Ballester, 2006-07
“Estudio del comportamiento de combustibles sólidos pulverizados en condiciones de oxi-combustión”, Financiación: MEC, ENE2007-64658/CON, Inv. Ppal: S. Jiménez, 2007-10
“Intelligent control and optimisation of power station boilers firing pulverised coal and coal/biomass blends - SMARTBURN”, Financiación: UE, RFC-PR-06026, Inv. Ppal: J. Ballester, 2008-11
"Development of High-Efficiency CFB Technology to provide flexible air/oxy operation fow a power plant with CCS" (FLEXI BURN CFB), Financiación: UE, 7FP, Inv. Ppal: N. Fueyo y J. Ballester, 2009-2012.
En el LCI se ha llevado a cabo un amplio rango de estudios sobre la combustión de fuel-oil pesado, algunos de los cuales se mencionan también en otras de las líneas de I+D:
Es un aspecto clave del proceso, que determina la calidad de la combustión o las emisiones de material particulado. En varios de los proyectos realizados se ha llevado a cabo un estudio exhaustivo, caracterizando la distribución de tamaños de gota obtenidos con distintas geometrías de boquilla (existentes, y de nuevo diseño) y variando los parámetros de inyección.
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| Atomización de fuel oil pesado: Banco de ensayos de atomizadores (capacidad hasta 800 kg/h) y visualización de la desintegración en gotas mediante fotografía de alta velocidad (0.5 microseg.) |
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Se ha evaluado la influencia de los parámetros de inyección del combustible y del aire de combustión sobre la emisión de inquemados, contaminantes y, en casos seleccionados, también sobre las propiedades de la llama.
En diversos estudios se ha estudiado el efecto de la dinámica de los flujos de aire y combustible, y la interacción entre ambos, como factores determinantes en el proceso de combustión. Parámetros como el número de swirl, las velocidades de inyección, la geometría del quemador o la distribución de aire entre varios circuitos han sido objeto de estudio, tanto sobre quemadores 'convencionales' como, y muy especialmente, en el desarrollo del quemador TENOX.
La aportación de agua en forma de emulsión es un método bien conocido para la mejora de la combustión de líquidos, especialmente de combustibles pesados. Las 'microexplosiones' generan un fenómeno de atomización secundaria que puede dar lugar a una mejora significativa en la calidad de la combustión, con importantes reducciones en la emisión de material particulado. En distintos proyectos se ha evaluado el resultado de esta estrategia, analizando múltiples parámetros (porcentaje de agua, parámetros de inyección del combustible, uso de aditivos) y encontrando reducciones de hasta 80% en la emisión de partículas y, bajo ciertas condiciones, también disminuciones apreciables en el nivel de NOx.
Mediante pruebas en el combustor semi-industrial se han evaluado los posibles beneficios de la utilización de aditivos de diversa naturaleza (incluyendo neutralizantes, catalizadores, emulgentes o la combinación de varios de ellos).
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| Microfotografía de una emulsión y efecto de la aportación de agua sobre la emisión de partículas | |
Se ha estudiado el uso de aceites usados para la generación de energía. Se realizaron ensayos en el combustor bajo distintas condiciones de operación, llevando a cabo una caracterización detallada de las emisiones de inquemados y contaminantes y de las características del material particulado.
La combustión de líquidos ligeros (gasóleo C) también ha sido objeto de diversos estudios. En particular, se han analizado los posibles efectos beneficiosos de diversas estrategias de mejora de la combustión (emulsiones, aditivos), cuantificando el margen de incremento de rendimiento que puede alcanzarse en cada caso.
“Estudios y ensayos para la optimización de la combustión en sistemas de alta presión de fuel-oil pesado con atomización mecánica. Fase I – Atomización”, Financiación: OCIDE, Hidroeléctrica Española, Inv. Ppal: C. Dopazo, 1987-88
“Estudios y ensayos para la optimización de la combustión en sistemas de alta presión de fuel-oil pesado con atomización mecánica. Fase II – Combustión”, Financiación: OCIDE, Hidroeléctrica Española, Inv. Ppal: C. Dopazo, 1988-91
“Combustión de fuel-oil pesado y sus emulsiones con agua+aditivos”, Financiación: Hidroeléctrica de Cataluña, Inv. Ppal: J. Ballester, 1992-93
“Reducción de las emisiones de NOx en calderas de gas natural y fuel-oil mediante combustión controlada”, Financiación: OCIDE, Térmicas del Besós, Inv. Ppal: C. Dopazo, 1992-95
“Estudios de combustión de gasóleo y sus emulsiones con agua y aditivos”, Financiación: Repsol-Petróleo, Inv. Ppal: J. Ballester, 1995-96
“Combustión de aceites usados de automoción para generación de energía”, Financiación: Instituto Aragonés de Medio Ambiente, Inv. Ppal: C. Dopazo, 1996
“Estudio de la combustión de gasoil y gasoil tratado por polarizadores”, Financiación: Ronser, Inv. Ppal: J. Ballester, 1998
“Evaluación de mejoradores de combustión de gasóleo de calefacción”, Financiación: Repsol YPF, Inv. Ppal: J. Barroso y J. Ballester, 2005
“Estudio y optimización de la combustión de aceites de pirólisis”, Financiación: Alucha / Stora-Enso, Inv. Ppal: J. Ballester, 2006
“Investigación y desarrollo de bioetanol para automoción, I+DEA2”, Financiación: CDTI, Programa CENIT, Inv. Ppal: J. Ballester, 2007-11
La utilización de biomasa en sistemas de generación de energía constituye una alternativa ventajosa desde el punto de vista medioambiental y, en ciertos casos, también económico y social. Los retos actuales en este campo se centran, sobre todo, en el desarrollo de procesos de combustión eficientes, fiables, y adecuados para aprovechar una creciente variedad de materiales.
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| Muestra de orujillo con diámetro entre 300 y 410 micras | Muestra de orujillo con diámetro superior a 710 micras |
Una primera dificultad (paradójica si se tiene en cuenta la abundante literatura disponible sobre combustión de biomasa) es la escasez de datos concretos sobre el comportamiento de estos materiales en sistemas de combustión, que puedan ser utilizados en el diseño de nuevos sistemas. Si bien es relativamente sencillo encontrar abundante información sobre sus propiedades químicas, en la mayor parte de los casos estos resultados se han obtenido en condiciones alejadas del ambiente de combustión real. La metodología seguida en el LCI se basa en la realización de estudios experimentales utilizando el Reactor de Flujo Laminar, diseñado para reproducir los parámetros relevantes en sistemas reales. Tal y como se describe en el apartado dedicado a la combustión de carbón pulverizado, este procedimiento permite obtener las ‘curvas de combustión' en ciertas condiciones, o bien obtener los parámetros cinéticos representativos de las fases de devolatilización y combustión heterogénea, que posteriormente se han utilizado para predecir el comportamiento de la biomasa pulverizada en distintos escenarios.
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| Fotografías SEM de orujillo: por este orden, partículas originales enteras, seccionadas y corte de partícula en estado avanzado de combustión |
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En esta instalación también se ha estudiado la formación de escorias sobre las superficies de transferencia, que es la primera fuente de problemas operacionales con ciertos tipos de biomasa.
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| Depósitos formados en la combustión de biomasa. El de la izquierda está fundido, mientras el otro está formado por material suelto. |
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Tal y como se describe en el apartado correspondiente, la formación y emisión de aerosoles submicrónicos en combustión de biomasa presenta características especiales. Los estudios realizados incluyen la caracterización de estos fenómenos para un amplio rango de biomasas, aportando información novedosa en este campo. Asimismo, se han abordado los casos de co-combustión con carbón y otros materiales, obteniendo resultados interesantes sobre las modificaciones en las propiedades de las partículas generadas; además, dada su estrecha relación con los fenómenos de deposición de cenizas y corrosión, estos estudios pueden ser también relevantes para el diseño de estrategias orientadas a minimizar estos problemas. El combustor semi-industrial también se ha utilizado para evaluar diversas estrategias de utilización de biomasa pulverizada en plantas de generación de energía:
• Co-combustión con carbón, mediante inyección en un quemador multi-combustible.
• Co-combustión con carbón, mediante inyección separada en el hogar. Entre las diversas alternativas disponibles, resulta especialmente atractiva la utilización de la biomasa como combustible de ‘reburning' para obtener reducciones significativas en la emisión de NOx.
• Uso de 100% biomasa en un quemador dedicado, generando una llama autoestable.
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| Llama de biomasa (residuos de madera) en el combustor del LITEC |
Proyectos relacionados:
“Combustión de aceites usados de automoción para generación de energía”, Financiación: Instituto Aragonés de Medio Ambiente, Inv. Ppal: C. Dopazo, 1996
“Co-firing of biomass, coal waste and coal on mining sites for electricity generation (COBIOCOWA)”, Financiación: Unión Europea, Inv. Ppal: J. Ballester, 1998-2001.
“Estudio de la combustión de orujillo pulverizado”, Financiación: Foster-Wheeler Energía, Inv. Ppal: J. Ballester, 2000
“Sistema de alimentación de biomasa para el desarrollo de tecnologías de co-combustión de biomasa y carbón pulverizado”, Financiación: MCyT, Inv. Ppal: J. Ballester, 2000-01
“Estudio de la formación, deposición y retención de partículas en sistemas de generación de energía a partir de combustibles sólidos pulverizados”, Financiación: DGES, PB 97-0159-C03-02, Inv. Ppal: J. Ballester, 1998-2001
“Alternative Fuels for Gas Turbines” (AFTUR), Financiación: Unión Europea, Inv. Ppal: J. Ballester, 2003-06
“Transporte y deposición de aerosoles dispersos en flujos laminares y turbulentos”, Financiación: MCyT, BFM2001-1314-C03-03, Inv. Ppal: J. Ballester, 2001-04
“Análisis de los procesos de secado y combustión de gallinaza”, Financiación: APISA, Inv. Ppal: J. Ballester, 2003
“Estudio de la co-combustión de lodos secos de depuradora”, Financiación: Valles y Bages, Inv. Ppal: J. Ballester, 2004
“Desarrollo de herramientas de diseño y análisis para aplicaciones de combustión y co-combustión de biocombustibles pulverizados”, Financiación: MEC - Plan Nacional de Energía, ENE-2004-08060-C02-02, Inv. Ppal: J. Ballester, 2004-07
“Estudio para la optimización de las condiciones de operación en plantas de combustión y co-combustión de biomasa y carbón”, Financiación: DGA – Depto. Investigación, Innovación y Desarrollo, PM025, Inv. Ppal: J. Ballester, 2004-06
“Estudio de la combustión de coque para uso en hornos de cementeras”, Financiación: V&B Asociados, Inv. Ppal: S. Jiménez y J. Ballester, 2005
“Intelligent control and optimisation of power station boilers firing pulverised coal and coal/biomass blends - SMARTBURN”, Financiación: UE, RFC-PR-06026, Inv. Ppal: J. Ballester, 2008-11
“Estudio y optimización de la combustión de aceites de pirólisis”, Financiación: Alucha / Stora-Enso, Inv. Ppal: J. Ballester, 2006
“Estudio de caracterización de la combustión de combustibles alternativos”, Financiación: Endesa Generación S.A., Inv. Ppal: S. Jiménez y J. Ballester, 2006-07
“Estudio de caracterización de la combustión de tres tipos de biomasas pulverizadas y análisis de aplicaciones de co-combustión”, Financiación: Endesa Generación S.A., Inv. Ppal: S. Jiménez y J. Ballester, 2006-07
