El LITFEC dispone de un combustor de escala semi-industrial, con una capacidad térmica de 0.5 MW. Junto con las instalaciones auxiliares existentes, constituye una planta piloto muy flexible, apta para quemar cualquier tipo de combustible sólido, líquido o gaseoso. Es posible también utilizar quemadores con geometrías muy diversas, o simular un amplio rango de estrategias de combustión.
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Vista general del combustor semi-industrial |
La cámara de combustión es cilíndrica y orientada verticalmente, lo que presenta ventajas operativas y de interpretación de resultados. Está construido de forma modular (techo, sección de salida y 11 segmentos anulares), lo que facilita adaptar la configuración en función de los requerimientos de las pruebas.
El interior de la cámara está recubierto de material refractario de alta temperatura (CSi). A lo largo de la cámara se han instalado un gran número de termopares que miden la temperatura superficial y en varias profundidades del refractario. De esta forma, y de acuerdo con estudios de semejanza, es posible reproducir el comportamiento de grandes llamas en calderas multi-quemador. Comparaciones con ensayos sobre prototipos a escala real han confirmado la validez de los resultados obtenidos en esta instalación (por ejemplo, en términos de emisiones de NOx o de estabilidad y comportamiento general de la llama).
Cada uno de los elementos que forman el combustor está refrigerado exteriormente por una camisa de agua independiente, con controles individuales de caudal y temperatura.
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Esquema del combustor semi-industrial |
El quemador, junto con los sistemas de ignición y supervisión de llama, están instalados en la parte superior. El quemador puede conectarse a una o varias de las instalaciones de combustible existentes: gas natural, propano, combustibles líquidos, carbón pulverizado, biomasa. El aire de combustión puede precalentarse hasta 450 ºC, y se inyecta al quemador a través de de un colector anular que asegura una distribución simétrica. Aunque también pueden ensayarse otras geometrías, el sistema dispone de un generador de rotación variable (del tipo de bloques móviles), que posibilita amplias variaciones del No. de Swirl y, por tanto, de configuración o estabilidad de la llama.
Dado su carácter experimental, el combustor ha sido diseñado para permitir una caracterización completa del proceso. Existen 44 ventanas laterales en la cámara de combustión, que permiten acceso total al interior mediante sondas o técnicas ópticas de medida. En otras secciones se describen las sondas disponibles y se muestran ejemplos de medidas realizadas.
También puede realizarse una caracterización completa de los humos de salida. En el conducto final se inserta un conjunto formado por termopar, pitot tipo S, sonda de muestreo de partículas y sonda de gases, diseñado para realizar la captación de muestras necesarias para la medida de inquemados y emisiones contaminantes.
Debido a la elevada carga de cenizas volantes en la combustión de carbones (en particular, los nacionales), en la parte inferior existe un scrubber que retiene gran parte de las partículas, previamente a la limpieza final en un ciclón situado antes de la chimenea.
Parte superior del combustor y sistemas de inyección
Esta instalación ha sido diseñada para estudiar la combustión de gases o líquidos ligeros, y constituye también un banco de ensayos muy útil para el desarrollo de instrumentación o sistemas de control avanzado.
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| Combustor de 100 kW para combustibles líquidos y gaseosos. |
La cámara de combustión es vertical, con las paredes refrigeradas por agua. La temperatura del agua puede elevarse mediante un lazo de recirculación, con objeto de mantener temperaturas de pared que eviten la formación de condensados.
El techo de la cámara dispone de un alojamiento para el quemador. En diversas ocasiones se han adaptado quemadores comerciales de gasóleo, para el estudio de nuevos combustibles para calefacción. Se ha diseñado y construido un quemador altamente flexible, que incorpora numerosos mecanismos ajustables con objeto de poder simular un amplio rango de llamas industriales. De esta forma, pueden estudiarse desde llamas convencionales de mezcla intensa hasta estrategias de escalonamiento para control de NOx, geometrías de llama muy diversas, o llamas inestables y pulsantes.
La cámara dispone de numerosos accesos para la caracterización de la llama mediante sondas o técnicas ópticas. En particular, se encuentran instalados distintos tipos de sensores de radiación (para UV, VIS e IR), micrófonos para caracterización de fluctuaciones de presión, y una cámara CCD para adquisición y posterior procesado de imágenes de la llama. Esta instrumentación ha permitido caracterizar un amplio rango de condiciones, y evaluar la posibilidad de desarrollar esquemas avanzados de monitorización de control para sistemas de combustión industrial.
El conducto de descarga dispone de diversos accesos, que se utilizan para captación de muestras, y análisis de emisiones (inquemados, contaminantes, opacidad).
Llamas de gas y gasóleo C en el combustor de 100 kW
Esta instalación (usualmente designada en inglés como drop tube o entrained flow reactor) está orientado al estudio detallado de los diversos fenómenos que tienen lugar en la combustión de sólidos pulverizados (carbón, biomasa, residuos).
Si bien presenta algunas desventajas (coste y grado de especialización elevados), está considerado el tipo de banco de ensayo más adecuado para obtener resultados representativos de los sistemas reales.
Por este motivo, además de constituir una excelente herramienta de investigación, permite obtener información que puede resultar de gran interés práctico:
Esta instalación pretende reproducir los principales parámetros de los grandes equipos de combustión: velocidad de calentamiento de las partículas, niveles de temperatura, tiempos de residencia, composición de los gases. Al mismo tiempo, una configuración geométrica simplificada resulta imprescindible para poder conocer las condiciones existentes en cada una de las etapas del proceso.
El RFL consta de una cámara de combustión constituida por un tubo cilíndrico vertical de carburo de silicio, con una longitud total de 1600 mm, y un diámetro interior de 78 mm. Por otro lado, si el interés se centra en la etapa de enfriamiento de las partículas, la longitud efectiva puede aumentarse hasta 2.5 m.
Vista general del Reactor de Flujo Laminar diseñado y construido por el personal del LIFTEC.
El flujo principal de gases es una corriente de productos de combustión a alta temperatura, procedente de un quemador de gas natural situado por encima del tubo. De este modo se reproduce con mayor fidelidad la atmósfera en la que se va a llevar a cabo la combustión del producto sólido (char) en sistemas reales.
El diseño del quemador, construido en cemento refractario, hace posible la combustión de una mezcla controlada de aire y gas natural, con un amplio rango de mezclas de oxígeno. Además existen instalaciones auxiliares para la aportación al quemador de O2 o de un gas inerte. El quemador incluye los dispositivos necesarios para encendido y detección de llama.
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| Esquema de la parte superior del RFL y del sistema de inyección |
El combustible sólido es transportado neumáticamente en una corriente de aire primario, e introducido en el reactor mediante una caña de inyección, situada a lo largo del eje del tubo. La dosificación correcta del combustible, con las pequeñas cantidades que se utilizan, constituye uno de los problemas de más difícil solución en este tipo de instalaciones. Si bien ha requerido una dedicación importante, y sucesivas mejoras, el dispositivo desarrollado en el LCI asegura un flujo uniforme y libre de pulsaciones, imprescindible para obtener medidas fiables.
La cámara de combustión se encuentra calefactada exteriormente en toda su longitud mediante 12 resistencias de disiliciuro de molibdeno, con temperaturas máximas de trabajo de 1800 ºC. La regulación de temperatura se consigue mediante tres controladores PID, gobernados por 3 señales de temperatura medidas con termopares tipo S alojados en la pared del tubo. Existen además elementos de seguridad que protegen el sistema de sobrecalentamientos. El conjunto tubo+resistencias se encuentra rodeado por una cámara de radiación cilíndrica, protegida por distintas capas de aislamiento térmico.
Mediante el posicionamiento adecuado de la caña de inyección, o de las sondas introducidas a través de la sección de descarga, pueden caracterizarse las distintas etapas del proceso de combustión, obteniendo una descripción completa en función del tiempo de residencia de las partículas.
Esta instalación experimental se ha diseñado para el estudio de combustores de gas de premezcla (sin y con llama piloto), premezcla parcial y difusión. Este sistema está diseñado para reproducir las principales características de los equipos reales, permitiendo una amplia flexibilidad en aspectos como el grado de premezcla, la configuración del quemador o las características acústicas del sistema. Incorpora instrumentación para caracterizar la llama (sensores de radiación, espectrómetro, imágenes de llama en el rango visible y ultravioleta, fluctuaciones de presión) y amplio acceso para la utilización de sondas o técnicas ópticas.
Además de la utilización de combustibles convencionales, la instalación se ha diseñado para estudiar específicamente el comportamiento con combustibles alternativos (‘syngases’):
Para ello, se cuenta con una instalación de preparación de gas sintético mediante mezclas en proporciones variables de distintos gases (e.g., CH4, CO2, CO, H2).
Consiste en un sistema de generación de chorro abierto, utilizado para estudiar el comportamiento aerodinámico de dispositivos o accesorios. Es un chorro turbulento que descarga a través de un conducto de 500 mm de diámetro, en el que se han instalado diversos elementos para conseguir un perfil de velocidades uniforme. En concreto, puede obtenerse un perfil plano de velocidad de hasta 18 m/s sobre una sección de 400 mm de diámetro, o bien hasta 26 m/s sobre una sección de 300 mm de diámetro.
En particular, sobre este banco se ha desarrollado el procedimiento de ensayo de deflectores para conductos de evacuación previsto en la Norma UNE 60406:2000, que fue propuesta y elaborada por el LCI. No se conoce que actualmente exista a nivel nacional otra instalación adecuada para realizar este tipo de ensayos.
