Operational issues and advanced monitoring in lean premixed syngas combustion

Résumé

1. MOTIVACIÓN Tradicionalmente, las turbinas de gas operaban en condiciones cercanas a las estequiométricas para asegurar que el proceso de combustión se llevaba a cabo de una forma eficiente y estable. Sin embargo, durante las últimas décadas, la legislación relacionada con la contaminación atmosférica se ha vuelto cada vez más restrictiva en cuanto a emisiones de contaminantes permitidas, especialmente CO2 y NOx. Estos hechos suponen un gran desafío para la industria de la combustión y el diseño de quemadores. Por un lado, con el objetivo de adaptarse a los nuevos requisitos, se desarrollaron los sistemas de combustión en premezcla pobre (baja relación de equivalencia), que se caracterizan, entre otras cosas, por una baja emisión de NOx [1, 2]. Sin embargo, uno de los principales problemas que presenta este modo de operación es la aparición de inestabilidades asociadas con la baja relación combustible/aire, ocasionando problemas no sólo de fiabilidad y seguridad, sino también de eficiencia de la instalación. Por otra parte, la necesidad de encontrar una alternativa a los combustibles tradicionales, cuyas reservas naturales van agotándose con el paso del tiempo, junto con la necesidad de reducir emisiones de CO2, han fomentado el estudio de combustibles alternativos procedentes de fuentes muy diversas como son la gasificación del carbón, la biomasa o gases de refinería. Este tipo de combustibles, comúnmente llamados syngas, que consisten en mezclas de CH4, CO, CO2, H2 y N2 entre otros, en proporciones altamente variables que vienen condicionadas por su origen, suponen una alternativa muy atractiva para aprovechar tanto combustibles tradicionales (p.ej. carbón), como residuos de otros procesos de una forma limpia y eficiente [3, 4]. Sin embargo, el uso de este tipo de combustibles en turbinas de gas plantea una serie de retos científicos tanto en temas de diseño de quemadores como en cuanto a la selección de las condiciones óptimas de operación. La primera parte de la tesis está, por tanto, centrada en el análisis de los rangos de estabilidad de combustibles con diferentes composiciones, que pueden considerarse representativos de un amplio rango de syngases. Finalmente, dado que uno de los objetivos más importantes en el diseño de sistemas de combustión es el desarrollo de un sistema de monitorización y control de la estequiometria del proceso que sea verdaderamente fiable, lo que puede ser especialmente crítico en la combustión de syngas, la segunda parte de la tesis se ha dedicado a analizar un opción de monitorizado basada en la medida de la quimioluminiscencia de la llama. Los métodos ópticos, y en particular los basados en la medida de quimioluminiscencia, se han presentado como una alternativa al uso de métodos tradicionales, como los basados en el muestreo de gases de escape que proporcionaban una información claramente incompleta del proceso de combustión, insuficiente para diseñar un sistema de control eficiente [5-7]. Sin embargo, aunque existen varias referencias sobre su aplicación en llamas de metano o gas natural, su uso en llamas de syngas está mucho menos documentado. Por lo tanto, la principal motivación de la segunda parte de este trabajo es analizar la posibilidad de usar técnicas de monitorizado basadas en la medida de quimioluminiscencia para la determinación de la estequiometria de la llama a nivel global y local, no sólo para metano sino también para syngas. 2. PRINCIPALES RESULTADOS Y CONCLUSIONES A lo largo del capítulo 3, se han analizado los principales aspectos relativos a la combustión de syngas, destacando las diferencias entre las llamas de metano y las obtenidas para combustibles con diferentes porcentajes de metano, hidrógeno y CO. En general, las llamas de syngas se mostraron más susceptibles a sufrir problemas de inestabilidades y aparición de fenómenos de flashback que las llamas de metano puro. Además, la substitución de metano por hidrógeno y/o CO produce un desplazamiento del rango de estabilidad hacia condiciones más pobres, lo que puede suponer una importante ventaja desde el punto de vista de las emisiones de NOx. Sin embargo, el rango de estabilidad se va haciendo más estrecho conforme se disminuye el porcentaje de metano en el combustible, por lo que este tipo de combustibles requieren un control muy preciso de la estequiometria. Teniendo en cuanto los principales requisitos en términos de eficiencia, seguridad y bajas emisiones, la zona óptima de trabajo para la mayoría de los syngas se situaría cercana al punto de flashback, especialmente en combustibles con alto contenido en hidrógeno. Por lo tanto, el capítulo 4 se dedica a analizar una posible estrategia de operación basada en el escalonamiento de combustible. Los resultados demostraron que si el diseño del sistema de escalonamiento de combustible, tanto en términos de caudal escalonado como en lo referente a la geometría del inyector utilizado, se realiza de forma adecuada, una pequeña cantidad de combustible a través del inyector secundario puede ser suficiente para ampliar el rango de estabilidad a la vez que se reducen las fluctuaciones de presión, sin producir grandes variaciones en las emisiones de NOx e incluso reduciendo las emisiones de CO. Estos resultados son muy positivos desde el punto de vista práctico, ya que parecen indicar que los principales inconvenientes para el uso de syngas en combustores ya existentes, podrían solucionarse aplicando una sencilla estrategia de escalonamiento de combustible. Finalmente, la segunda parte de la tesis se ha dedicado a analizar uno de los grandes retos que se presentan a la hora de optimizar los procesos de combustión: el control de la estequiometria. Para este propósito, los métodos ópticos, y en particular aquellos basados en la quimioluminiscencia de la llama, se han presentado como una estrategia muy prometedora ya que poseen una serie de características que los hacen más adecuados que otros sensores basados en medidas en la llama, como por ejemplo, los basados en el uso de láser, que son más caros y difíciles de implementar y usar en instalaciones ya existentes. Los resultados obtenidos mostraron un comportamiento que no había sido analizado con anterioridad: en función de la composición del combustible o de la estequiometría de la mezcla, las tendencias obtenidas al analizar las medidas experimentales de la quimiolumininiscencia de la llama se acercaban más a los resultados téoricos de un modelo de llama laminar o de un modelo de llama en régimen distribuido. Este novedoso resultado parece sugerir una nueva aplicación de las medidas de quimioluminiscencia como indicador del régimen de combustión. 3. REFERENCIAS [1] Dunn-Rankin D, editor. Lean Combustion Technology and Control. University of California: Academic Press (Elsevier); 2008. [2] McDonell V, Dunn-Rankin D. Chapter 5 - Lean Combustion in Gas Turbines. In: Lean Combustion. Burlington: Academic Press; 2008; 121-IV. [3] Richards GA, McMillian MM, Gemmen RS, Rogers WA, Cully SR. Issues for low-emission, fuel-flexible power systems. Prog. Energ. Combust. 2001; 27(2):141-69. [4] Lieuwen T, Yang V, Yetter R, editors. Synthesis gas combustion: Fundamentals and Applications. Boca Raton (FL): Taylor & Francis Group; 2010. [5] Docquier N, Candel S. Combustion control and sensors: a review. Prog. Energ. Combust. 2002; 28:107-50. [6] Candel S. Combustion dynamics and control: progress and challenges. P. Combust. Inst. 2002; 29:1-28. [7] Kohse-Höinghaus K, Barlow RS, Aldén M, Wolfrum J. Combustion at the focus: laser diagnostics and control. P. Combust. Inst. 2005; 30:89-123.