Caracterización experimental de la hidroxicombustión de combustibles sólidos pulverizados

Escudero Oriol, Ana Iris
Diez Pinilla, Luis Ignacio (dir.) ; Mayoral Gastón, Maria Carmen (dir.)

Universidad de Zaragoza, 2021


Abstract: Nos enfrentamos, como sociedad, a un gran reto. Un reto relacionado con el modelo energético actual, que ha estado basado, durante muchos años, en los combustibles fósiles. El cambio climático, asociado entre otras a las emisiones de CO2 antropogénico originadas por estos combustibles, está cada vez más presente. Y por ello, urge una transición hacia tecnologías energéticas más limpias, que impliquen menos emisiones. Pese a que ya hay países que han tomado conciencia de la situación, estableciendo medidas para la reducción de emisiones de CO2, como el aumento de uso de energías renovables y el cierre de plantas de potencia de carbón, no se puede obviar que hay muchos otros que todavía dependen del carbón como su fuente de energía principal. El carbón, es uno de los combustibles fósiles más contaminantes, pero también ofrece la posibilidad de obtener energía a bajo coste y de fácil acceso. Esta coyuntura es la que confiere tanto interés a la captura de CO2, que se presenta como una alternativa para obtener una energía limpia a partir de un combustible que se encuentra disponible en la mayor parte del mundo.
Una de las tecnologías de captura de CO2 que parecen más prometedoras y con mayor margen de optimización es la oxicombustión. Sin embargo, es una tecnología que todavía no se ha aplicado a nivel industrial ni comercial (TRL – 8 o 9) debido al elevado consumo energético que supone, especialmente, la obtención del O2 y que trae como consecuencia la reducción de la eficiencia en las plantas de potencia. Algunas de las medidas analizadas para mejorar la eficiencia de la oxicombustión están relacionadas con la reducción de la recirculación de los gases de escape. Esta rama de investigación, supone el origen de la hidroxicombustión, que plantea la sustitución de la corriente de gases escape utilizados como diluyentes en la caldera (mayoritariamente CO2), por parte del agua, que ha sido condensada y posteriormente reevaporada, procedente también de la corriente de gases de escape. Esta propuesta abre importantes interrogantes en muchos aspectos. No obstante, se presenta a su vez como una alternativa interesante, ya que se le atribuyen algunas importantes ventajas como: un esquema de la planta más simplificado, la reducción del caudal volumétrico a través de la caldera y de los equipos auxiliares, las mejores transferencias de calor radiativas y convectivas y la eliminación de los gases no condensables en el agua reciclada.
Entre los interrogantes mencionados, se encuentran los relativos a los efectos que conlleva esta sustitución del CO2 por vapor de agua en la combustión. En este sentido, con esta tesis, se han tratado de aportar datos que faciliten la comprensión y predicción del comportamiento de la oxicombustión en atmósferas con contenidos de agua superiores a los típicos de recirculación húmeda (por encima del 20 % de H2O). Para ello, se llevaron a cabo pruebas mediante dos sistemas experimentales distintos: una termobalanza y un reactor de flujo arrastrado (EFR).
Los experimentos en la termobalanza resultaron especialmente interesantes debido a la posibilidad que ofrecen de analizar porcentajes de vapor de agua muy elevados, de hasta el 70 % vol. y definir así, una primera aproximación de algunos de los efectos que supone su adición en las atmósferas de oxicombustión. Con los análisis termogravimétricos se obtuvo una caracterización del comportamiento de las partículas de tres carbones de distintos rangos (una antracita, una mezcla de carbones subbituminosa y un carbón importado subbituminoso) en pruebas de desvolatilización y pruebas de oxidación directa (18 pruebas en total con cada carbón). Las pruebas de desvolatilización (N2/H2O o CO2/H2O) se llevaron a cabo con contenidos de vapor de agua de entre 0-70 %vol., mientras que las pruebas de oxidación directa se desarrollaron para atmósferas de oxicombustión (20/80 y 30/70 %vol. O2/CO2) en las que se sustituyó CO2 por fracciones del 0, 20, 40 y 70 %vol. de vapor de agua. Mediante estos análisis, se obtuvieron parámetros como la temperatura de onset o de ignición, la temperatura final de reacción, las temperaturas pico, velocidades de reacción y los parámetros cinéticos, estos últimos, con la intención de servir de base para el desarrollo futuro de un modelo cinético. En esta primera parte de la tesis ya se perciben las tendencias opuestas que generan distintas propiedades del vapor de agua, dando lugar a cambios en la evolución de los parámetros conforme aumentan los porcentajes de sustitución de CO2 por vapor.
Con la intención de llevar a cabo experimentos en condiciones algo más próximas a las de las calderas de combustible pulverizado (altas velocidades de calentamiento y altas temperaturas de operación), se diseñó y puso en marcha un reactor de flujo arrastrado. La instalación, consiste en un reactor de kanthal APM de 38 mm de diámetro y una altura de 2000 mm; un sistema para la alimentación del combustible constituido por una tolva y un tornillo sin fin; un sistema de alimentación y mezcla de gases y evaporación de agua; y en un sistema de extracción de los gases de combustión y recolección de sólidos. Para la puesta en marcha de la instalación se determinó la altura de la zona de reacción para un tiempo de residencia de las partículas determinado, se calibró el sistema de alimentación para cada uno de los combustibles utilizados, se seleccionó el caudal de quench apropiado para llevar a cabo las pruebas y se caracterizó el perfil de temperatura en el interior del reactor.
En el reactor de flujo arrastrado se caracterizaron corrientes de partículas de tres carbones distintos. Dos de los carbones fueron la antracita nacional y la mezcla subbituminosa ya utilizadas en los análisis termo- gravimétricos. Sin embargo, se sustituyó el carbón subbituminoso importado por un carbón bituminoso también importado. Esta sustitución vino motivada por la intención de analizar un carbón de rango intermedio y menos reactivo que el anterior. El contenido de agua en la atmósfera quedó limitado a una fracción máxima del 40 %vol. debido a motivos técnicos relacionados especialmente con la aparición de condensaciones en zonas críticas que ocasionaban bloqueos del combustible. En este reactor, se llevaron a cabo dos tipos de pruebas, pruebas de ignición y pruebas de combustión. Las pruebas de ignición para cada carbón (9 pruebas) se efectuaron bajo: atmósferas de oxicombustión (O2/CO2), con un exceso de oxígeno de 1.25, contenidos en O2 del 21 y 35 %vol., y contenidos del 0, 10, 25 y 40 %vol. de H2O, así como; una atmósfera de aire (21/79 %vol. de O2/N2). Mientras que, las pruebas de combustión (13 para cada carbón) se llevaron a cabo con atmósferas de oxicombustión (O2/CO2) con un exceso de oxígeno de 1.25, tres porcentajes de O2 distintos (21, 30 y 35 %vol.) y fracciones de sustitución del CO2 por H2O de 0, 10, 25 y 40 %vol. También se analizó el efecto independiente del exceso de oxígeno, para excesos de 1.35 y 1.45 mediante algunos ensayos adicionales para las atmósferas secas (6 pruebas con cada carbón). Para la definición de las condiciones de la prueba y el cálculo posterior de los correspondientes índices se realizaron una serie de cálculos, que fueron desarrollados en el software Engineering Equation Solver (EES).
Finalmente, entre las opciones que se presentan para llevar a cabo la transición del uso del carbón hacia tecnologías más limpias, se encuentra la sustitución del carbón por biomasa en las centrales térmicas. Esta opción, resulta aún más cautivadora si se combina con tecnologías de captura de CO2 ya que se pueden llegar a obtener emisiones negativas. A medio camino entre el uso de carbón y su sustitución completa por biomasa, se encuentra la cocombustión de carbón y biomasa, que presenta menos dificultades a la hora de implementar el cambio de combustible en las centrales ya existentes. Para finalizar la tesis, en el último capítulo se analiza el efecto del vapor de agua, en concentraciones superiores a las típicas de recirculación húmeda de gases, en condiciones de cocombustión. Con este propósito, se llevaron a cabo pruebas de oxicombustión en el reactor de flujo arrastrado con dos mezclas de combustible: pélets de pino y residuo de poda de vid, mezclados con el carbón bituminoso. Estas pruebas se llevaron a cabo con un exceso de oxígeno de 1.25, para el 21 y 35 % de O2, y sustituyendo el CO2 por contenidos de vapor de agua del 0, 10, 25 y 40 % vol. (13 pruebas para cada una de las mezclas de combustible).
Con este trabajo se ha completado la investigación experimental más exhaustiva realizada hasta la fecha, en relación con los trabajos disponibles en bibliografía, de la combustión de combustibles sólidos pulverizados en atmósferas de oxicombustión con altas concentraciones de vapor de agua. Los principales resultados y aportaciones se resumen en el siguiente apartado.


Abstract (other lang.): 

Pal. clave: tecnologia de la combustion ; caracterizacion de carbones ; fuentes no convencionales de energia

Titulación: Programa de Doctorado en Energías Renovables y Eficiencia Energética
Plan(es): Plan 509
Nota: Presentado: 08 04 2021
Nota: Tesis-Univ. Zaragoza, , 2021


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 Record created 2021-07-26, last modified 2021-07-26


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