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:
La utilización de turbinas de gas para generación de energía ha ido adquiriendo una importancia creciente, y puede decirse que se trata de una tecnología relativamente bien establecida, incluyendo las configuraciones con muy bajas emisiones contaminantes. Sin embargo, existen algunos aspectos que están motivando un notable esfuerzo científico y tecnológico. Entre ellos se cuentan el problema de inestabilidades y pulsaciones o la utilización de nuevos combustibles.
El LCI está desarrollando una línea de investigación centrada en el desarrollo de nuevos métodos de diagnóstico y control, orientados a la detección/prevención de inestabilidades, con aplicación específica a la utilización de combustibles alternativos. Entre estos se incluyen diversos tipos de derivados de biomasa, subproductos de procesos o combustibles enriquecidos en hidrógeno. Esta gama de combustibles se simula mediante gases sintéticos de hasta cuatro componentes (CH4, CO, H2, CO2), que pueden prepararse en línea en proporciones en un amplio rango de composiciones mediante una instalación de mezclado y regulación automática.
El problema de inestabilidades termo-acústicas se está estudiando desde tanto desde el punto de vista experimental, como mediante el desarrollo de modelos predictivos que describen el comportamiento acústico del conjunto inyección-combustor y su acoplamiento con el proceso de combustión. Además de intentar avanzar en la comprensión de estos fenómenos, el objetivo final es desarrollar herramientas útiles para la descripción, prevención y corrección de inestabilidades, que constituye un problema de primera magnitud en el diseño y operación de grandes turbinas de gas.
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Proyectos relacionados
“Alternative Fuels for Gas Turbines”, Financiación: Unión Europea, Inv. Ppal: J. Ballester, 2003-07
“Diagnóstico, mejora de estabilidad y control de equipos de combustión industrial”, Financiación: MEC, ENE2007-63641, Inv. Ppal: J. Ballester, 2007-10
“Limit cycles of thermo-acoustic oscillations in gas turbine combustors”, Financiación: UE, FP7-214905-2 (Marie Curie – Initial Training Network), Inv. Ppal: J. Ballester, 2008-11
Entre los diversos temas abordados en relación con la utilización de combustibles sólidos para generación de energía, se encuentra la formación de depósitos de cenizas.
La materia mineral no combustible presente en los combustibles sólidos pulverizados (carbón, biomasa, etc), constituye una de las principales fuentes de problemas en la operación de las calderas de las centrales térmicas de producción de energía. La formación de depósitos de esta materia mineral en las paredes de las calderas y en los tubos de intercambio de calor disminuye el rendimiento energético de la central, acelera la corrosión de los tubos y su posible desprendimiento es causa de importantes daños. En conjunto, las consecuencias negativas sobre la fiabilidad y la eficiencia de la planta son muy significativas, y bien conocidas. Por otro lado, el grado de conocimiento y las capacidades de predicción de estos fenómenos son todavía limitadas.
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Depósitos de cenizas en sobrecalentador |
El estudio de estos problemas constituye una de las líneas de trabajo del grupo, orientada a una mejor comprensión del fenómeno y al desarrollo de herramientas predictivas, tanto mediante modelos como basadas en ensayos en laboratorio. Para ello, se cuenta con un Reactor de Flujo Laminar que permite simular una amplia variedad de situaciones, con un buen control sobre las variables que influyen en el proceso de combustión y en la formación de los depósitos.
En el reactor se llevan acabo ensayos de captación de cenizas volantes mediante una sonda de captación isocinética y de formación de depósitos mediante una sonda de deposición, diseñadas ambas en el grupo. Los depósitos obtenidos son analizados mediante diversas técnicas como el microscopio electrónico de barrido (SEM), difracción de rayos X o análisis en ICP lo que permite estudiar la variación de la composición química de los depósitos en función de la profundidad del mismo y de diferentes variables como la temperatura del reactor, exceso de oxígeno, etc.
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Depósito obtenido en el RFL y observación SEM de un corte |
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Además de los estudios experimentales, también se desarrollan modelos predictivos del comportamiento del carbón en lo referente a su tendencia a la deposición. Mediante estos modelos se intenta predecir el comportamiento que mostrará un determinado carbón, o mezcla de carbones, bajo distintas condiciones de combustión.
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| Muestra de cenizas volantes |
Proyectos relacionados:
“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
“Estudio de la combustión de orujillo pulverizado”, Financiación: Foster-Wheeler Energía, Inv. Ppal: J. Ballester, 2000
“Transporte y deposición de aerosoles dispersos en flujos laminares y turbulentos”, Financiación: MCyT, BFM2001-1314-C03-03, Inv. Ppal: J. Ballester, 2001-04
“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
“Problemas operacionales asociados a la materia mineral en aplicaciones de oxi-combustión”, Financiación: Depto. Investigación, Innovación y Desarrollo - DGA, Ref. PM040/2006, Inv. Ppal: J. Ballester, 2006-08
“Enhanced capture with oxygen for scrubbing of CO2 (ECO-Scrub)”, Financiación: UE, RFC-PR-06026, Inv. Ppal: J. Ballester, 2007-10
A pesar de su enorme importancia, los sistemas de combustión son uno de los procesos con posibilidades más limitadas de regulación y control. Mientras que la sofisticación y capacidades de los sistemas de control de procesos han mejorado de forma espectacular, las posibilidades de regulación y ajuste de los quemadores industriales siguen siendo notablemente rudimentarias. En consecuencia, no se aprovechan los importantes beneficios que proporcionan los esquemas avanzados de control (incluyendo inteligencia artificial) en cuanto a optimización permanente del proceso, minimización de contaminantes, flexibilidad de operación… Por otro lado, las motivaciones son muy diversas e importantes, ya que la disponibilidad de una regulación fiable permitiría conseguir:
incorporar al mercado energético nuevos combustibles, cuyo bajo poder calorífico y/o variabilidad de propiedades dificultan una combustión fiable y eficiente.
El LCI está trabajando activamente en el desarrollo de nuevos sistemas de supervisión y control de sistemas de combustión, incluyendo tanto quemadores industriales como turbinas de gas. Pueden distinguirse dos objetivos parciales diferentes: monitorización mediante sensores, y estrategias de diagnóstico y control.
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| Sensores de llama instalados en combustor de 100 kWt. |
La principal carencia en este campo es, posiblemente, la falta de información directa sobre el núcleo del proceso: la llama. Por este motivo, un objetivo fundamental es el desarrollo de instrumentación capaz de proporcionar información sobre las características de la llama, que al mismo tiempo haga viable su implementación en sistemas reales (por coste, fiabilidad y resistencia a las condiciones ambientales). Se está investigando el comportamiento y posibilidades de distintos tipos de sensores, que incluyen:
El estado de la tecnología permite desarrollar instrumentos fiables y de coste razonable, que incluyen los propios sensores y los sistemas auxiliares para instalación en la cámara de combustión.
Esta instrumentación, junto con los equipos convencionales de análisis de gases, proporcionan un conjunto de información muy completo que posibilita el desarrollo de sistemas de supervisión y control de la combustión. La siguiente figura ilustra los principales componentes del sistema.
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Una de las finalidadesdel trabajo es el desarrollo de sistemas de supervisión y diagnóstico de la combustión, a partir de las señales de la instrumentación utilizada. Los sensores de llama proporcionan un enorme volumen de información (registros temporales, espectros de frecuencia, imágenes…), que es necesario procesar adecuadamente para extraer un conjunto reducido de datos, orientado al diagnóstico del estado de funcionamiento del sistema. De esta forma, se intenta proporcionar información clave para la operación: diagnóstico del estado en cada momento, detección de condiciones fuera de diseño, identificación de situaciones indeseables (p.ej., pulsaciones o despegue de llama). Se están aplicando para ello herramientas muy diversas, que incluyen análisis espectrales, correlaciones múltiples entre señales, redes neuronales artificiales… Los resultados obtenidos son muy prometedores, y han permitido establecer relaciones claras entre la información procedente de los sensores de llama y parámetros de funcionamiento (por ejemplo, condiciones de operación, grado de estabilidad, emisiones contaminantes).
A partir de un diagnóstico fiable del estado de la combustión, puede acometerse un control real del proceso actuando sobre los parámetros ajustables disponibles con el fin de alcanzar objetivos específicos. Estos objetivos pueden ser muy diversos: minimización de emisiones de inquemados o de contaminantes, corrección de inestabilidades de llama, maximización de una cierta función objetivo que combine varios criterios… o sencillamente el mantenimiento de una combustión estable al utilizar combustibles alternativos de bajo poder calorífico (p.ej., derivados de biomasa). Para ello se hace uso de diversos esquemas avanzados de control, incluyendo herramientas de inteligencia artificial, que han demostrado excelentes resultados en otras aplicaciones de gran complejidad como son los procesos químicos.
Proyectos relacionados:
“Sistema avanzado de supervisión para procesos de combustión”, Financiación: Iberdrola, Inv. Ppal: J. Ballester, 1996-97
“Control inteligente de la combustión para la optimización de la eficiencia energética y la minimización del impacto ambiental”, Financiación: DGA, Inv. Ppal: J. Ballester, 1996-99
“Development of innovative instrumental techniques for coal combustion (DITEC)”, Financiación: CECA, Inv. Ppal: J. Ballester, 1999-2003
“Equipamiento para desarrollo de nuevos sistemas de monitorización y control de la combustión de líquidos y gases derivados de biomasa”, Financiación: MCyT, DPI2002-11537-E, Inv. Ppal: J. Ballester, 2003-2006
“Alternative Fuels for Gas Turbines” (AFTUR), Financiación: Unión Europea, Inv. Ppal: J. Ballester, 2003-06
“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
“Desarrollo de métodos avanzados de monitorización de llamas mediante sensores ópticos”, Financiación: E&M Combustión, Inv. Ppal: J. Ballester, 2006-07
“Diagnóstico, mejora de estabilidad y control de equipos de combustión industrial”, Financiación: MEC, ENE2007-63641, Inv. Ppal: J. Ballester, 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
“Limit cycles of thermo-acoustic oscillations in gas turbine combustors”, Financiación: UE, FP7-214905-2 (Marie Curie – Initial Training Network), Inv. Ppal: J. Ballester, 2008-11
La formación y eventual emisión de partículas en sistemas de combustión constituye un aspecto relevante desde varios puntos de vista. A su evidente vertiente medioambiental hay que añadir consideraciones de rendimiento energético (por inquemados sólidos) o los importantes problemas operacionales debidos a la formación de depósitos por acumulación de millones de diminutas partículas sobre las paredes de las calderas o los intercambiadores.
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| Imagen SEM de cenizas volantes de carbón en el RFL. Las partículas pequeñas se encuentran dentro de restos de otra mayor. | Partícula de carbón en proceso de combustión-cenosfera. Imagen SEM. |
En otras líneas de trabajo se hace alusión a diversas actividades relacionadas con estudios de formación y eliminación de partículas, que no se repetirán aquí.
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| Cenosferas generadas en la combustión de fuel-oil en el combustor semi-industrial |
Una problemática de particular importancia es la relacionada con el rango inferior de tamaños de partícula (del orden de la micra y más pequeñas). Previsiblemente, la legislación medioambiental se va a endurecer a corto plazo para este tipo de emisiones, debido a su mayor efecto nocivo sobre la salud humana. Pero, desafortunadamente, los equipos de limpieza de humos presentan un mínimo en su eficiencia precisamente en este rango.
El LCI ha iniciado una línea de trabajo dirigida al estudio detallado de los procesos de formación de partículas submicrónicas y a la caracterización de emisiones en sistemas de combustión de carbón y biomasa. Para ello, se hace uso del Reactor de Flujo Laminar, que por sus características permite un control preciso de las condiciones en que un combustible evoluciona.
De este modo, ha podido estudiarse el efecto de distintas condiciones de combustión sobre la cantidad y composición de las partículas submicrónicas generadas. Las emisiones se han caracterizado mediante impactación de baja presión y posterior análisis en un microscopio electrónico de barrido (SEM) y un difractómetro de rayos X. Los resultados obtenidos confirman la especial incidencia de este fenómeno en las biomasas, cuya materia inorgánica, con mayor contenido en compuestos alcalinos, es más volátil que la del carbón, lo que resulta en una mayor fracción de partículas submicrónicas en las emisiones finales.
Asimismo, muestreando con una sonda de nueva creación en distintos puntos dentro del reactor y la chimenea post-combustión del mismo (en la que se reproducen los perfiles de temperatura típicos de una caldera real), y analizando las muestras en un microscopio electrónico de transmisión (TEM), ha sido posible hallar evidencia experimental de las “etapas” del proceso de formación de las partículas submicrónicas, formadas por nucleación y/o condensación de materia mineral volatilizada en la combustión. Actualmente, y en base a estos estudios, se están desarrollando métodos para la minimización del efecto negativo de las partículas ultrafinas sobre las propias calderas (en particular, reduciendo el contenido en Cl, elemento fuertemente corrosivo, en estas partículas).
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| Imagen y análisis TEM de partículas submicrónicas existentes a 900°C en la combustión de orujillo. |
Por supuesto, el LCI dedica también estas instalaciones y equipos al estudio de la formación de las partículas mayores de una micra, formadas por fragmentación del “char” (partículas en combustión) y posterior coalescencia de la materia mineral incluida en cada fragmento. Este conocimiento es fundamental para el desarrollo de otra línea de investigación, centrada en la formación de depósitos en combustión de sólidos pulverizados.
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| Imagen de SEM de una partícula de ceniza procedente de la combustión de orujillo pulverizado en el reactor de flujo laminar. |
Proyectos relacionados:
“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
“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
“Problemas operacionales asociados a la materia mineral en aplicaciones de oxi-combustión”, Financiación: Depto. Investigación, Innovación y Desarrollo - DGA, Ref. PM040/2006, Inv. Ppal: J. Ballester, 2006-08
Los campos de la combustión o la fluidodinámica se caracterizan por incluir una amplísima variedad de procesos y de variables de interés. Al mismo tiempo, cabe destacar la escasez tanto de procedimientos de ensayo establecidos como de organizaciones especializadas en estas áreas. Por este motivo, las actividades realizadas por el LCI conllevan una notable dedicación en el desarrollo de bancos de ensayo o de instrumentación específica. Casi siempre, el problema no se reduce a disponer de un cierto dispositivo, sino en desarrollar un procedimiento de ensayo que proporcione información útil, y especificar cómo debe medirse una cierta variable para que los resultados sean fiables.
La totalidad de las instalaciones experimentales disponibles en el LCI han tenido que ser concebidas, diseñadas y construidas (salvo ciertos elementos) en el propio grupo. Por tanto, en cada caso ha debido recorrerse completamente el proceso desde las especificaciones iniciales hasta la utilización, pasando por el diseño de detalle o la puesta a punto de instrumentos y sistemas.
Dado que, normalmente, los ensayos exigen determinar variables para las que no son aptos los instrumentos de proceso convencionales, se ha hecho necesario desarrollar instrumentación específica:
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| Sistema óptico desarrollado para el estudio de la combustión de partículas |
En algunos casos, y en respuesta a demandas externas, se ha acometido el desarrollo de bancos de ensayo e instrumentos orientados a la caracterización de procesos y sistemas reales. Por ejemplo:
Por otra parte, se está trabajando en el desarrollo de sistemas de monitorización avanzada de la combustión, orientado a su utilización en sistemas industriales.
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Banco de ensayos de circuitos de refrigeración de automóviles |
Pirómetro de succión de 2.5 m para medida de temperatura dentro del hogar. |
Proyectos relacionados:
“Ensayo y desarrollo de deflectores para la ventilación de calderas de gas natural”, Financiación: GasNatural SDG, Inv. Ppal: J. Ballester, 1996-2001
“Desarrollo y modificaciones de bancos de ensayo de intercambiadores de calor”, Financiación: Valeo Térmico, Inv. Ppal: J. Ballester, Diversos trabajos en el periodo 1999-2003.
“Sistema avanzado de supervisión para procesos de combustión”, Financiación: Iberdrola, Inv. Ppal: J. Ballester, 1996-97
“Temperature measurement tests with a suction pyrometer in Petronor's Vacuum Unit”, Financiación: Petronor, Inv. Ppal: J. Ballester, 1998
“Medida del tiro en calderas de gas natural”, Financiación: Gas Natural S.D.G., Inv. Ppal: J. Ballester, 2002
“Desarrollo de sistema de muestreo de gases en calderas de centrales térmicas”, Financiación: Soluziona Ingeniería S.A., Inv. Ppal: J. Ballester, 2003-04
“Development of innovative instrumental techniques for coal combustion (DITEC)”, Financiación: CECA, Inv. Ppal: J. Ballester, 1999-2003
“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
