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.

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.

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).

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.

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