Estudio experimental sobre el empleo de gas de gasificación de biomasa en quemadores y motores diésel

Laburpena

Ante los problemas derivados del empleo de combustibles fósiles, es necesario encontrar alternativas viables para reducir este consumo paulatinamente. Dentro de las energías renovables, la biomasa parece ser una de las opciones de mayor interés, por ser un recurso abundante y autóctono y por tener un ciclo de CO2 aproximadamente neutro. Entre las posibles tecnologías para el uso de biomasa, la gasificación (transformación de un sólido carbonoso en un gas combustible en un proceso a altas temperaturas) es una opción prometedora, tanto por la elevada eficacia del proceso como por las amplias posibilidades que ofrece el gas obtenido, ya que puede ser empleado tanto para la generación de combustibles sintéticos y productos químicos (BTL, H2, amoniaco, etc.) como para la generación de energía mecánica/eléctrica en un quemador (calderas y turbinas de gas), en un motor (MEP o MEC) o en una pila de combustible. La presente tesis doctoral profundiza en el empleo de gas de gasificación de biomasa en quemadores y motores diésel. En un quemador tipo Bunsen se han realizado ensayos de estabilidad de llamas empleando dos agentes gasificantes diferentes (aire y vapor) con el fin de determinar los límites de operación (caudal y relación combustible/aire) que eviten el apagado de llama por elevación y por retroceso. Además, se ha estudiado el comportamiento de mezclas gas natural/gas de gasificación (al 25 y 50 % en volumen de gas de gasificación), de gran interés actual para, por un lado, reducir el consumo de combustibles fósiles y, por otro lado, reducir la emisión de NOx debido a la posibilidad de operar con mezclas más pobres (como consecuencia de la elevada velocidad de combustión del H2). Además, la medida cualitativa de radicales OH y CH mediante quimioluminiscencia ha permitido obtener conclusiones sobre la posible formación de NOx en quemadores que empleen gas de gasificación y sobre la estructura de las llamas generadas (altura y zonas de reacción). También se ha analizado la posible intercambiabilidad entre el gas natural y sus mezclas con gas de gasificación, obteniendo como resultado que el empleo de hasta un 37% (en volumen) de gas de gasificación con vapor no provoca problemas de intercambiabilidad. En lo relativo al empleo de diferentes combustibles gaseosos (CO, H2, CH4, una mezcla de los anteriores y gas de gasificación) en un motor diésel, se han evaluado las prestaciones y las emisiones contaminantes (tanto gaseosas como de partículas) para diferentes grados de sustitución del combustible diésel (hasta un 40% en energía) y para diferentes condiciones operativas del motor (carga, tasa de EGR, temperatura de admisión, estrategia de inyección). Los resultados experimentales se han apoyado en un modelo termodinámico de diagnóstico propio que ha permitido la caracterización del proceso de combustión (evolución de temperatura media y del calor liberado, peso de las fases premezclada y difusiva, duración de la combustión, etc.). Respecto al uso de forma individual de cada uno de las especies combustibles que componen el gas de gasificación (CO, H2 y CH4), los resultados muestran una significativa reducción en la masa de partículas (sobre todo en el hollín) así como en la concentración de las mismas (siendo este efecto más notable para el caso del H2), mientras que la emisión de CO y HCs aumenta considerablemente en el caso del CO y CH4 debido principalmente al combustible gaseoso no quemado. La variación en la emisión de NOx depende del combustible gaseoso empleado, aunque los cambios no son muy significativos respecto al empleo únicamente de combustible diésel. En el caso de la mezcla CO/H2/CH4 (en proporciones similares a la del gas de gasificación, 40/40/20% en volumen), no se han observado efectos sinérgicos entre los diferentes combustibles gaseosos. Por último, el estudio en motor se ha centrado en el uso de gas de gasificación (constituido por CO, H2, CH4 y otras especies inertes). Se ha comprobado, al igual que en el caso de los compuestos puros, que entre las diferentes formas bajo las cuales se puede quemar el gas (proximidad del chorro diésel, autoencendido o propagación de llamas turbulentas), el englobamiento por el chorro diésel es el fenómeno dominante (finalizando la combustión cuando termina la correspondiente al combustible diésel). Un aumento en el grado de carga, la tasa de EGR (estando éste a mayor temperatura que el aire de admisión) o la temperatura de admisión favorecen la combustión de gas de gasificación (al igual que ocurre con el resto de combustibles ensayados), como lo refleja el aumento en el rendimiento y la disminución en la emisión de CO y HCs. La significativa reducción en la emisión de partículas al emplear gas de gasificación junto con la pequeña reducción en NOx refleja el elevado potencial del empleo combinado de gas de gasificación y altas tasas de EGR para mejorar el conocido trade-off NOx-PM en un motor diésel. Finalmente, los resultados preliminares resultantes del empleo de una inyección partida confirman que esta técnica puede ser una alternativa prometedora para mejorar el rendimiento del motor y disminuir emisiones (CO y HCs) al emplear gas de gasificación.