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Análisis de gases

Sistemas de análisis de gases en continuo

Se dispone de diferentes analizadores de gases en continuo (CO2, CO, CH4, H2, H2O, NOx, N2, SO2, O2, CHx, Hg, alquitranes, etc.) para los gases de combustión.

 

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Chemical Looping Combustion (CLC)

Los cambios climáticos que está sufriendo el planeta han provocado la necesidad de reducir las emisiones de gases con efecto invernadero, principalmente CO2, a la atmósfera. El elevado coste que supone actualmente la separación del CO2 de los humos de combustión para su posterior almacenamiento, ha generado en los últimos años la aparición de nuevos sistemas de combustión que producen corrientes concentradas de CO2.

El objetivo de esta línea de investigación consiste en desarrollar un nuevo sistema de combustión que produce corrientes prácticamente puras de CO2, lo cual reduce apreciablemente el coste total de generación de energía sin ser perjudicial para el medio ambiente. El concepto de combustión planteado, está basado en la transferencia de oxígeno del aire al combustible por medio de un transportador de oxígeno en forma de óxido metálico. Para ello se utilizan dos reactores interconectados entre sí. El óxido metálico se reduce a metal por medio del combustible, que tiene que estar en forma gaseosa (gas natural, metano o gas de síntesis procedente de la gasificación del carbón) produciendo agua y CO2 (reactor de reducción, RR). Tras la condensación del agua se obtiene una corriente prácticamente pura de CO2. El transportador de oxígeno, en forma reducida, se regenera de nuevo a óxido con aire en otro reactor (reactor de oxidación, RO)
obteniéndose a la salida una corriente de aire concentrada en N2 y sin CO2.

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La cantidad total de calor generado es la misma que la que se origina en la combustión normal por contacto directo entre el oxígeno del aire y el combustible. La ventaja fundamental de la combustión con transportadores sólidos de oxígeno radica en que el CO2 generado no se diluye en N2, obteniéndose prácticamente puro y no siendo necesario ningún proceso posterior de separación. Por ello este proceso tiene menor coste energético que otras tecnologías de separación y captura del CO2. En la siguiente figura se muestra un esquema general del proceso.

Las partículas de óxidos metálicos que se utilizan para transportar el oxígeno en este tipo de sistemas tienen que tener velocidades de oxidación y reducción elevadas, así como suficiente resistencia mecánica para limitar su rotura y atrición ya que deben estar circulando de forma continua entre los dos reactores. Asimismo interesa que el óxido metálico no sea caro y que no genere problemas medioambientales. En la literatura se han propuesto los siguientes óxidos como transportadores de oxígeno: CuO, NiO, Mn2O3, Fe2O3, .. soportados sobre alumina, zirconita, etc…

En la utilización de combustibles sólidos en este proceso, el carbón se mezcla físicamente con el transportador de oxígeno. Dado que se prevé que parte del transportador se pierda durante la etapa de extracción de las cenizas del carbón, se requiere la utilización de materiales baratos. Por ello, actualmente se están desarrollando otros materiales basados en hierro o manganeso como minerales naturales (ilmenita) o residuos de acerías y otras industrias.

Aunque esta nueva tecnología con transportadores de oxígeno se propuso por primera vez en la década de los años 80, el mayor desarrollo se ha producido en la última década. En este contexto, el grupo de «Combustión y Gasificación” del Instituto de Carboquímica (CSIC) de Zaragoza dirigido por el Prof. Adánez ha estado presente en los principales proyectos europeos relacionados con el desarrollo de esta nueva tecnología. El proceso de combustión con gas operando en continuo se demostró por primera vez en 2003 dentro del proyecto europeo GRACE (V Programa Marco de la Unión Europea) en la planta de 10kWt situada en la Universidad de Chalmers (Suecia), utilizando como transportador un material basado en Ni. Este proyecto se desarrolló en colaboración con diferentes empresas (CO2 Capture Project –CCP (consorcio de las 8 mayores petroleras mundiales)-, Alstom) y centros de investigación europeos (Chalmers University, Technical University of Vienna, ICB-CSIC). En 2004, el grupo de investigación del ICB-CSIC (España) realizó, dentro de un proyecto del Plan Nacional (PPQ-2001-2111), 200 horas de operación en continuo con excelentes resultados en una planta de 10kWt utilizando metano como combustible y transportadores de oxígeno basados en Cu. En 2008, se puso en operación una planta de 140kWt en la Universidad de Viena, dentro de un proyecto financiado por Unión Europea (CLC GAS POWER) y por el CCP Fase II.

En la actualidad los desarrollos se centran tanto en combustibles gaseosos, como solidos (carbon, biomasa…) y liquidos. Las mayores plantas que se han construido para esta tecnologia hasta la actualidad son de 1MWt en la universidad de Darmstadt (Alemania) y otra de 3 MWt en USA.

Los objetivos generales de esta línea de trabajo son:

  • Desarrollar transportadores de oxígeno adecuados al proceso tanto para la utilización de combustibles gaseosos, liquidos o sólidos.
  • Establecer los fundamentos, las bases de diseño y las condiciones de operación óptimas para la operación de estos sistemas mediante herramientas de simulación.
  • Demostrar y evaluar estas nuevas tecnologías de combustión a nivel de planta piloto (0.5-50 kWt)

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Chemical Looping Reforming (CLR)

Una parte importante de las emisiones de CO2 procede de fuentes móviles, siendo el transporte responsable de un tercio de las emisiones globales. Una opción de reducción de estas emisiones consiste en la utilización para el transporte de H2 producido a partir de combustibles fósiles, en grandes instalaciones centralizadas, con captura y almacenamiento de CO2. Por ello, actualmente se está desarrollando la producción de hidrógeno con captura de CO2.

Dentro de las tecnologías posibles se plantea la integración de procesos de oxidación-reducción con transportadores sólidos de oxígeno (Chemical Looping) para la producción de gas de síntesis/H2 junto con la generación de electricidad a partir de gas natural con captura simultánea de CO2. El reformado con transportadores sólidos de oxígeno (Chemical Looping Reforming-CLR) es similar al proceso de combustión con este tipo de transportadores (Chemical Looping Combustion-CLC) con defecto de O2 y con adición de vapor para aumentar la generación de H2 por reformado con vapor.

La investigación realizada en esta linea se ha centrado tanto en el uso de combustibles gaseosos, como líquidos (diesel, aceites, residuos pesados de refinería y también renovables como el bioetanol).

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Oxicombustión

vattenfallLa emisión de gases a la atmósfera procedente de la combustión de combustibles fósiles, principalmente carbón, puede originar importantes problemas medioambientales. EL SO2, formado por la oxidación del azufre contenido en el combustible, contribuye a la formación de la lluvia ácida y el CO2 ha sido reconocido como uno de los principales gases que contribuyen al efecto invernadero.

El proceso de captura y almacenamiento de CO2, emitido en grandes cantidades por las plantas de producción de energía, es considerado como una de las opciones a ser investigadas a medio plazo para la reducción de las emisiones de CO2 a la atmósfera. En procesos de combustión convencionales, que utilizan aire para oxidar, el CO2 se encuentra diluido en N2. La captura de CO2 en estos procesos de combustión convencionales es un proceso costoso debido al gran volumen de gases generado y por tanto al gran volumen de gases que es necesario tratar. Debido a ello, se están investigando otras opciones entre las que se encuentra el proceso de oxicombustión. En este proceso el combustible se quema con oxígeno puro diluido con gas recirculado, produciendo una corriente de gases a la salida del combustor con concentraciones elevadas de CO2, de hasta el 95%, y reduciéndose apreciablemente el volumen de gases generados, lo que facilita notablemente la captura del CO2.

Hasta ahora el proceso de oxicombustión se está investigando principalmente para su aplicación en calderas de carbón pulverizado. Sin embargo, se piensa que los combustores de lecho fluidizado (LF), especialmente los circulantes, son muy apropiados para este sistema de combustión. Una de las principales ventajas de los LF es la posibilidad de producir la desulfuración de los gases de combustión en el propio combustor mediante la alimentación de sorbentes cálcicos. Aunque es bien conocido que la oxicombustión permite obtener corrientes gaseosas con un alto contenido en CO2, no se conoce todavía cómo el cambio en las condiciones de combustión, con respecto al proceso de combustión tradicional, afecta a las características generales de combustión como son la ignición o el burnout, y a la formación y posible reducción de contaminantes (NO, SO2, CO y aerosoles).

El proceso de retención de SO2 en LF ha sido muy estudiado, tanto a presión atmosférica como a elevadas presiones, usando aire para quemar. Ahora bien, la retención de SO2 por sorbentes cálcicos es un proceso que depende fuertemente de la temperatura del combustor y la presión parcial de CO2. En el proceso de oxicombustión la concentración de CO2 es muy elevada, y por tanto muy diferente a la de los procesos que utilizan aire, lo que hace que los procesos que ocurren en los sorbentes durante la retención del SO2 (calcinación y sulfatación) no estén claros. Así, la retención de SO2 por los sorbentes cálcicos se podría llevar a cabo por sulfatación directa, calcinación-sulfatación simultáneas o sulfatación de los sorbentes calcinados. Al tratarse de una tecnología de captura de CO2 relativamente reciente existen pocos estudios en la bibliografía sobre el proceso de sulfatación en lechos fluidizados circulantes en condiciones de oxicombustión.  En cuanto a la formacion de NOx, aunque el uso de oxígeno puro limitaría la formación de emisiones de NO térmico, podría por otro lado resultar en un aumento global de la emisión de NO debido a que favorecería la oxidación del nitrógeno del combustible. Asimismo, es aún desconocido el efecto que la propia recirculación de gases, y especialmente del NO generado, tendría sobre los niveles de emisión. Por esta razón, las emisiones de NOx pueden variar considerablemente con respecto a los de los procesos de combustión tradicionales.

El principal objetivo de esta línea de investigación es profundizar en el estudio de la influencia de las condiciones de operación de oxicombustión en la formación de emisiones contaminantes en procesos de combustión (SO2 y NOx) y en cómo éstas pueden ser minimizadas. Además, se abarca también el modelado matemático de un combustor de LF circulante de cara al diseño, optimización y escalado de estos combustores desde el punto de vista de la retención del SO2 generado en la combustión de carbones en condiciones de oxicombustión.

Planta piloto de lecho fluidizado de oxicombutión de 3 kWt para combustibles sólidos

Combustión/Gasificación en reactores de lecho fluidizado

La combustión en lecho fluidizado es una tecnología muy atractiva para una gran variedad de combustibles y escalas diferentes. Su utilización con los lignitos españoles, caracterizados por su alto contenido en azufre y cenizas, ha mostrado muy buenos resultados desde el punto de vista de la eficacia de combustión y la retención de SO2.

Los lechos fluidizados circulantes son hoy en día una alternativa muy atractiva para quemar carbones de bajo rango, biomasa y residuos en vista de su potencial como una tecnología medioambiental y económicamente aceptable para la producción de energía. La utilización de biomasa en la combustión en lecho fluidizado, tanto sola o mezclada con otros combustibles, esta incrementando su mercado en los últimos años debido a su buen comportamiento en estos combustores y a la importante reducción de emisiones que conlleva su utilización.

Nuestro grupo de investigación tiene una gran experiencia en la combustión y gasificación en lecho fluidizado burbujeante y circulante tanto de carbón como de biomasa y residuos o mezclas de ellos. La investigación realizada por nuestro grupo en esta línea se ha centrado en el análisis de diferentes aspectos del proceso, como la hidrodinámica del gas y los sólidos, la transferencia de calor, las cinéticas de desvolatilización y de combustión/gasificación del char, la caracterización de sorbentes del SO2 generado, etc

Además, en esta línea se ha dado un énfasis muy  importante al modelado y simulación de la eficacia de combustión y retención de azufre en los procesos de combustión/gasificación en lecho fluidizado, ya que son herramientas de mucha utilidad de cara al diseño y optimización de estos sistemas.

Planta piloto de lecho fluidizado de 10 kW para combustión/gasificación con retención de azufre con sorbentes cálcicos