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Hierro como combustible en nuevos ciclos de almacenamiento de energía

 

El uso de metales como vectores energéticos responde  la preocupación por los efectos de la emisión de CO2 en el clima global, investigando a escala de partícula metales que, por su densidad energética y su energía específica, podrían ser viables para un ciclo abierto de oxidación con posterior etapa de reducción.

El hierro es especialmente atractivo para este proceso por diversos motivos:   su abundancia en la corteza terrestre, su producción industrial masiva,  su estabilidad, baja toxicidad y peligrosidad,  facilidad de manejo; y, finalmente, por la existencia ya probada de procesos de reciclado de los óxidos de hierro basados en fuentes renovables, algo básico para poder considerar el ciclo completo como un modo sostenible de generación energética. En general, su transporte y almacenamiento son sencillos y seguros y están sujetos a pocas pérdidas energéticas con el tiempo, de modo que facilitaría su integración en el intercambio comercial de energía.

La línea de trabajo actualmente en desarrollo en el Grupo de Procesos Químicos Avanzados evalúa  diversos materiales férricos:   hierro metálico comercial (poroso y denso), menas de hierro procedentes de minería local (hematites y goetita ) y residuos minerales ricos en hierro, como el lodo rojo, residuo de la fabricación de aluminio, de gran problemática actualmente por su acumulación. Esta diversidad de materiales responde a que  el comportamiento de la partícula de hierro en oxidación y reducción varia según la morfología inicial (hierro esponja poroso, goethita lamelar reducida, hierro denso).

   

   La  oxidación del hierro es rápida,  y es preciso estudiarla  en configuraciones adecuadas como reactores de llama plana o llamas de proyección térmica,  y en el ICB lo hacemos en equipamientos del grupo de investigación.

Por un lado los reactores adaptados de llama plana permiten un gran control y monitorización de las condiciones de reacción necesarios para la obtención de curvas de oxidación en distintas condiciones para la determinación de la cinética; y  las  llamas rápidas como las que se consiguen en sistemas de proyección térmica adaptados permiten el tratamiento de oxidación y reducción de mayores cantidades de metal necesarias para el estudio de la viabilidad de los ciclos.

 

 

Oxicombustión de biomasa y carbon: emisiones y fenómenos de corrosión

 

El objetivo de esta linea es simular el efecto de la oxicombustión sobre la materia mineral de las partículas  de biomasa y carbón, determinando cómo influyen sobre su historia térmica las altas temperaturas de llama y velocidades de calentamiento que se darán en las plantas producción eléctrica con captura de CO2 aplicando tecnología oxyfuel. Se estudia el efecto de la oxicombustión sobre la escorificación (slagging), que constituye el problema operativo más relevante por deposición de inorgánicos sobre las superficies de intercambio, originario de la corrosión a alta temperatura.La propuesta novedosa consiste en la aplicación de condiciones realistas de velocidad de calentamiento y altas temperaturas mediante la proyección de los sólidos a través de una pistola o soplete de llama oxiacetilénica, que impactan sobre las superficies metálicas, seleccionadas para su aplicación en la construcción de calderas supercríticas avanzadas, monitorizando simultáneamente la velocidad y temperatura de partícula y la temperatura de llama. Por otra parte, la combustión oxyfuel también tendrá un efecto en la formación de especies inorgánicas volátiles, por las altas temperaturas de partícula, incidiendo directamente en el ensuciamiento en las baterías de los sobrecalentadores (fouling). En esta parte del trabajo se ha estudiado el comportamiento de los materiales metálicos a temperaturas superiores, (hasta Tmetal=750ºC) frente a la corrosión por depósitos inorgánicos, ya que la aplicación de ciclos ultrasupercríticos de vapor se vislumbra como uno de los principales objetivos tecnológicos en la producción de energía eléctrica

Oxihidrocombustión de biomasa

La oxihidrocombustión es una tecnología de oxicombustión en fase de investigación, que pretende minorar los impactos energéticos de la producción de oxígeno y de la recirculación de CO2 mediante su reemplazo por vapor de agua.  Este proceso también llamado hidroxicombustión u oxicombustión de tercera generación tiene como ventajas la mayor simplicidad, la disminución de los costes asociados a la recirculación de gases, una reducción del tamaño específico de los reactores y una inhibición de la formación de contaminantes.

La línea de trabajo en desarrollo en el ICB consiste en   la caracterización experimental y numérica de los procesos de oxicombustión de biomasa bajo atmósferas con altos contenidos en vapor de agua. El planteamiento va más allá de los estudios ya existentes que analizan el efecto de la recirculación por vía húmeda, con contenidos en vapor de agua limitados. Aquí se proponen estudios experimentales y numéricos con concentraciones de hasta un 80%. Asimismo, se investiga experimentalmente la influencia de la atmósfera O2/H2O/CO2 y del tipo de biomasa y de carbón sobre los procesos de ensuciamiento, corrosión y condensación, que pueden verse afectados por la alta concentración de agua y el contenido en azufre y cloro de los combustibles.

Equipamiento

Equipo TG-DSC  Netzsch Mod 449 s3 Júpiter

para trabajar en atmosferas con vapor de agua.

 

pistola

Pistola de proyección térmica para simulación de llama

 

Reactor de llama plana

hobersal

Horno con elevamuestras eléctrico y atmósfera controlada

Difractómetro láser (Malvern Mastersizer S) para caracterización de tamaño de particula.

Rango 0.5-800 micras (vías húmeda y gaseosa)

 

 

Equipos de caracterización de tamaños de partícula submicrónicas

  • Impactador en cascada de baja presión  (Hauke LPI 25/0.018/2)
  • DMA (TSI 3936, Long + Nano) 

 

 

 

 

 

Grupo de Procesos Químicos Avanzados

  

El Grupo de investigación de Procesos Químicos Avanzados  forma parte del Grupo de Investigación de Referencia DGA  746_17R  ENERGIA y CO2 .

Desde su formación, el Grupo de Procesos Químicos Avanzados se ha dedicado a profundizar en el conocimiento de materiales combustibles, a la reducción de emisiones contaminantes y al aprovechamiento de los residuos generados.

La investigación desarrollada se ha financiado mediante proyectos (europeos y nacionales)  y en colaboración con empresas y otros grupos de investigación, tanto del ámbito nacional como internacional.

El desarrollo continuado de la actividad científica ha hecho posible la creación de una importante infraestructura de equipamiento, que permite afrontar una amplia gama de objetivos, tanto a nivel de investigación básica como  aplicada.

 

Responsable: Dra. Carmen Mayoral Gastón.  Instituto de Carboquímica.  Miguel Luesma Castán, 4, 50018 Zaragoza (España).  Tfno: +34 976733977; Fax: +34 976733318.    mayoral@icb.csic.es