La Unidad de Procesos de Conversión Térmica dispone en el CEDER-CIEMAT de un conjunto de instalaciones de distintas potencias y tecnologías, destinadas al desarrollo e implementación de sistemas avanzados de combustión y gasificación de biomasa y residuos. Estas instalaciones están dotadas de la instrumentación y de los analizadores necesarios para estudiar las condiciones de operación óptimas, las emisiones generadas en procesos de combustión y la calidad del gas de gasificación. Se estudian distintos sistemas de depuración de gases de combustión para conseguir el cumplimiento de la legislación vigente en materia de emisiones. Por último, se analizan las distintas etapas de limpieza del gas de gasificación para definir el uso final del gas más adecuado. De este modo, se da respuesta a las exigencias tecnológicas y a las limitaciones medioambientales vigentes y futuras.
Instalaciones de Combustión
Instalaciones de Gasificación
Sistemas de muestreo y análisis de gases
Planta de Combustión en Lecho Fluido Burbujeante de 1MWt
Instalación piloto de combustión de biomasa u otros combustibles sólidos en lecho fluidizado burbujeante, con dos posibilidades de filtración para la depuración del gas: filtro de mangas o filtro híbrido (precipitador electrostático y filtro de mangas).Preparada para el estudio de condiciones de operación, eficiencia, emisiones y de los problemas asociados a las características del combustible, tales como fenómenos de corrosión y de formación de depósitos y aglomerados.Medida de emisiones (gases y partículas). Recogida de muestras de combustible y cenizas para su caracterización posterior en laboratorio. Posibilidad de comparar con ensayos en otras tecnologías (lecho fluido vs parrilla) y de estudiar el comportamiento de distintos sistemas de filtración del gas.
Especificaciones técnicas:
Capacidad térmica de 600 kW a 1 MW. Cámara de combustión de 1 m de diámetro y 4 m de altura. Combustibles sólidos de granulometría hasta 50 mm. Posibilidad de alimentar mezclas de varios combustibles y añadir inerte en continuo (varias tolvas conectadas).
Entradas de aire primario (aire de fluidización), secundario y terciario, con posibilidad de regular la cantidad y proporción de todos ellos.
Dispone de una soplante para la introducción de aire y de un extractor de humos, que mantiene una depresión en el horno.
Registro de parámetros de proceso (temperaturas, presiones, caudales) y análisis de gases (O2, CO2, CO, NOx, SO2, TOC, NH3, HCl, CH4, NO, NO2, N2O, entre otros) y partículas en humos en continuo. Depuración del gas mediante filtro de mangas o precipitador electrostático y filtro de mangas.
Planta de Combustión en Parrilla Móvil de 500 kWt
Instalación comercial con cámara de combustión de parrilla móvil y caldera pirotubular con producción de agua caliente. Dispone de extracción de cenizas y de limpieza de los tubos del intercambiador mediante aire comprimido en continuo. Está adaptada para el estudio de las condiciones de operación, eficiencia, emisiones y de los problemas asociados a las características del combustible, tales como fenómenos de corrosión y de formación de depósitos y aglomerados. Dispone de un multiciclón a la salida de la caldera para la eliminación de las partículas más gruesas presentes en los gases de combustión. Medida de emisiones (gases y partículas). Recogida de muestras de combustible y cenizas para su caracterización posterior en el laboratorio. Posibilidad de comparar con ensayos en otras tecnologías (lecho fluido vs parrilla).
Especificaciones técnicas:
Capacidad térmica desde 350 kW hasta 500 kW. Aire primario bajo parrilla y 6 toberas de aire secundario en los laterales de la cámara de combustión, con posibilidad de regular la cantidad y proporción de ambos. Admite combustibles sólidos de muy bajas densidades y diferentes tamaños. Posibilidad de alimentar mezclas de varios combustibles y añadir aditivo inerte en continuo (varias tolvas conectadas). Dispone de tres soplantes para la introducción de aire y de un extractor de humos, que mantiene una depresión en la cámara de combustión. Registro de parámetros de proceso (temperaturas, presiones, caudales) y análisis de gases (O2, CO2, CO, NOx, SO2, TOC, NH3, HCl, CH4, NO, NO2, N2O, entre otros) y partículas en humos en continuo.
Planta de Combustión Ciclónica de 160 kWt
Instalación piloto con cámara de combustión ciclónica y caldera pirotubular con producción de agua caliente. Está adaptada para el estudio de las condiciones de operación, emisiones y de los problemas asociados a las características del combustible, tales como aglomeración de cenizas. Dispone de un multiciclón a la salida de la caldera y de un filtro de mangas para la eliminación de las partículas gruesas y finas, respectivamente. Medida de emisiones (gases y partículas). Recogida de muestras de combustible y cenizas para su caracterización posterior en el laboratorio.
Especificaciones técnicas:
Capacidad térmica de 160 kW. La cámara está dividida en dos partes: una sección cilíndrica térmicamente aislada y una región con forma cónica donde se transfiere el calor al agua. En la zona cilíndrica el combustible se quema en suspensión y en la cónica tiene lugar la combustión de los compuestos volátiles, CO y partículas. El sistema de alimentación consiste en una tolva con rompe-bóvedas y un sinfín con capacidad de hasta 40 kg/h. Dispone de soplante para la introducción del aire de combustión y de extractor de humos. Registro de parámetros de proceso (temperaturas y caudales) y análisis de gases (O2, CO2, CO, NOx, SO2, TOC, NH3, HCl, CH4, NO, NO2, N2O, entre otros) en continuo.
Caldera de Combustión en Parrilla Móvil de 40 kWt
Instalación comercial para biomasa con cámara de combustión de parrilla móvil y caldera pirotubular con producción de agua caliente. Dispone de extracción de cenizas y de limpieza de los tubos del intercambiador mediante un sistema mecánico, en continuo. Adaptada para el estudio de condiciones de operación, eficiencia, emisiones y de posibles problemas asociados con las características del combustible, tales como fenómenos de corrosión y formación de depósitos y aglomerados. Medida de emisiones (gases y partículas). Recogida de muestras de combustible y cenizas para su caracterización posterior en el laboratorio.
Especificaciones técnicas:
Capacidad térmica de 25 kW a 40 kW, dependiendo del combustible utilizado (biomasa herbácea o leñosa, respectivamente). Aire primario bajo parrilla y entrada de aire secundario en la cámara de combustión (proporción de ambos regulable entre varias posiciones). Admite combustibles molidos o peletizados de residuos agroindustriales o forestales. Posibilidad de realizar ensayos en continuo de larga duración. Dispone de extractor de humos. Registro de parámetros de proceso (temperaturas, presiones, caudales) y análisis de gases (O2, CO2, CO, NOx, SO2, TOC, NH3, HCl, CH4, NO, NO2, N2O, entre otros) y partículas en humos en continuo.
Caldera comercial de condensación de 25 kWt
Caldera comercial de condensación para biomasa con alimentación inferior al quemador y caldera pirotubular con producción de agua caliente. El intercambiador de calor es espiral y dispone de limpieza automática con inyectores de agua. El quemador dispone de limpieza automática. Las cenizas caen al cenicero, de donde, en la caldera experimental, se eliminan manualmente para evitar mezcla de cenizas entre ensayos. Adaptada para el estudio de condiciones de operación, eficiencia, emisiones y de posibles problemas asociados con las características del combustible, tales como fenómenos de formación de depósitos y aglomerados. Medida de emisiones (gases y partículas). Recogida de muestras de combustible y cenizas para su caracterización posterior en el laboratorio.
Especificaciones técnicas:
Capacidad térmica de 25 kW, con posibilidad de trabajar en modo de modulación automática o en cinco niveles diferentes de potencia prefijados. Puede trabajar en condiciones de condensación o no, siempre con una alta eficiencia por la baja temperatura de los humos a la salida. Dispone de soplante para la introducción del aire de combustión (aire primario y secundario) y de extractor de humos que mantiene una depresión adecuada en la cámara de combustión. Admite combustibles peletizados o de granulometría similar a los pélets de 6 mm de diámetro. Registro de parámetros de proceso (temperaturas, presiones, caudales, eficiencia) y análisis de gases (O2, CO2, CO, NOx, SO2, TOC, NH3, HCl, CH4, NO, NO2, N2O, entre otros) en continuo y partículas en humos con muestreos discontinuos.
Estufa comercial de pélets y de hueso de aceituna de 10 kWt
Estufa de pélets y hueso de aceituna con alimentación superior al quemador y eliminación de cenizas en continuo. Dispone de limpieza de los tubos del intercambiador de accionamiento manual. Adaptada para el estudio de condiciones de operación, eficiencia, emisiones y de posibles problemas asociados con las características del combustible, tales como fenómenos de formación de depósitos y aglomerados. Medida de emisiones (gases y partículas). Recogida de muestras de combustible y cenizas para su caracterización posterior en el laboratorio.
Especificaciones técnicas:
Capacidad térmica de 10 kW, con posibilidad de trabajar en modo de modulación automática o en cuatro niveles diferentes de potencia prefijados. Tiene posibilidad de aportar aire caliente a tres estancias diferentes. Tiene la tolva integrada con capacidad para un día de combustible. Dispone de extractor de humos que mantiene una depresión adecuada en la cámara de combustión. Admite pélets o hueso de aceituna como combustible. Registro de parámetros de proceso (temperaturas, presiones, caudales) y análisis de gases (O2, CO2, CO, NOx, SO2, TOC, NH3, HCl, CH4, NO, NO2, N2O, entre otros) en continuo y partículas en humos con muestreos discontinuos.
Bancos de ensayos para calderas y estufas domésticas
La Unidad dispone de varios bancos de ensayo para instalar calderas y estufas domésticas con el fin de ser probadas en laboratorio. Así, es posible la instalación de una estufa con una potencia térmica de hasta 20 kW y de dos calderas con un rango de potencia entre 15 y 50 kWt para estudiar el comportamiento de cada dispositivo con combustibles diferentes bajo condiciones de operación controladas, siguiendo un protocolo basado en los estándares existentes. (EN 303-5, EN 14785, EN 16510 y Eco-diseño). Chimeneas independientes monitorizadas para emisiones de gases y partículas. Sistemas de refrigeración de agua controlados con registro de caudales y temperaturas.
Se dispone de los instrumentos requeridos para la medida de todos los parámetros (temperaturas; caudal de aire, humos y agua; calor transferido; presiones) y de un sistema central de adquisición de datos para las estufas y calderas instaladas en los bancos de ensayos.
Planta de Gasificación en Lecho Fluidizado Circulante de 500 kWt
Instalación piloto de gasificación de lecho fluidizado circulante atmosférico con un sistema de limpieza de gases anexo que consta de ciclón, intercambiador de calor, filtro de mangas, lavadores de gases a baja temperatura y antorcha. El sistema de alimentación es estanco y consiste en dos tolvas y dos tornillos sinfín. Además, tiene una tolva para la adición de material inerte al lecho. La eliminación de cenizas se produce de forma continua mediante un sinfín refrigerado. Dispone de análisis de gases en continuo con varios puntos de muestreo. Instrumentación necesaria para control de la operación de gasificación y de un sistema de adquisición de datos de la planta. Recogida de muestras de combustible y cenizas para su caracterización posterior en el laboratorio.
Especificaciones técnicas:
Potencia térmica hasta 500 kW. Admite alimentación de combustibles sólidos granulados o molidos. Gasificador atmosférico de 0,3 m de diámetro y 8,5 m de alto. Calentamiento inicial hasta ignición del combustible con quemador de propano, siendo después el proceso autotérmico. Recirculación de sólidos mediante un ciclón, una tubería de retorno y una válvula de sólidos. Registro de parámetros de proceso (temperaturas, presiones, caudales) y análisis del gas (O2, CO, H2, CO2, CH4 y SH2, entre otros) en continuo. Posibilidad de realizar muestreos de alquitranes mediante un protocolo basado en la especificación técnica CEN/TS 15439, que son caracterizados posteriormente en laboratorio.
Planta de Gasificación en Lecho Fluidizado Burbujeante de 150 kWt
Instalación piloto de gasificación de lecho fluidizado burbujeante atmosférico con sistema de retención de partículas ciclónico y antorcha. El sistema de alimentación es estanco y consiste en dos tolvas y dos tornillos sinfín. Además, tiene una tolva para la adición de material inerte al lecho. La eliminación de cenizas se produce de forma continua mediante un sinfín refrigerado. Salida de gases preparada para conectar a sistemas de investigación en limpieza, lavado y craqueo. Dispone de análisis de gases en continuo con varios puntos de muestreo. Instrumentación necesaria para control de la operación de gasificación y de un sistema de supervisión, mando y adquisición de datos de la planta. Recogida de muestras de combustible y cenizas para su caracterización posterior en el laboratorio.
Especificaciones técnicas:
Potencia térmica de 150 kW. Admite alimentación de combustibles sólidos hasta 30 mm. Cámara de lecho fluido de 0,3 m de diámetro y 3 m de alto. Calentamiento inicial hasta ignición del combustible con quemador de propano, siendo después el proceso autotérmico. Registro de parámetros de proceso (temperaturas, presiones, caudales) y análisis del gas (O2, CO, H2, CO2, CH4 y SH2, entre otros) en continuo. Posibilidad de realizar muestreos de alquitranes mediante un protocolo basado en la especificación técnica CEN/TS 15439, que son caracterizados posteriormente en laboratorio.
Analizador fijo de gases de combustión
Un conjunto de diferentes analizadores de gases proporciona la caracterización típica de las emisiones de las plantas de ensayo de combustión localizadas en el CEDER-CIEMAT. Incluye los siguientes analizadores:
NDIR (analizador infrarrojo no dispersivo) para determinar CO, CO2, NO y SO2.
Paramagnético para determinar O2.
Ultravioleta para determinar SO2.
FID (detector de ionización de llama) para determinar COT.
El sistema incluye un convertidor catalítico de NO2, de modo que el NO2 presente en los humos se transforma a NO y el valor de NO que da el analizador es NOx (NO + NO2, expresado como NO).
Analizador fijo de gases de gasificación
Se dispone de un dispositivo transportable con los siguientes analizadores de gas configurados con los rangos apropiados para medir el gas de gasificación:
NDIR (analizador infrarrojo no dispersivo) para determinar CO, CH4 y CO2.
Analizador de conductividad térmica para H2.
Analizador paramagnético para O2.
Analizador láser para SH2.
FTIR para determinar H2O, CO2, CO, NH3, HF, CH4, C2H4, C2H6, C2H2, benceno y tolueno (disponible a finales de 2020).
Analizador portátil FTIR de gases de combustión
La Unidad dispone de un analizador FTIR portátil (Espectrómetro Infrarrojo por Transformada de Fourier) para medir la concentración de los siguientes componentes del gas de combustión: H2O, CO2, O2 (ZrO2 sonda integrada), CO, NO, NO2, N2O, NH3, HCl, SO2, HF, CH4, C2H4, C2H6, C3H8, C6H14 y CH2O.
Analizadores portátiles FID
La Unidad dispone de dos FID portátiles (detector de ionización de llama) que proporcionan el Carbono Orgánico Total (COT) presente en el gas de combustión y de gasificación. La temperatura del gas se mantiene en 180ºC, evitando la condensación.
Sonda de muestreo isocinético
La Unidad dispone de una sonda de muestreo isocinético para determinar simultáneamente la concentración de partículas (corriente principal) y de HCl y SOx (corrientes laterales), siguiendo los estándares EN 13284, EN 1911 y EN 14791, respectivamente.
Impactador para muestreo de PM2.5 y PM10
La Unidad dispone de un impactador de muestreo isocinético para determinar de forma simultánea la concentración de tres fracciones de partículas: superiores a 10 m; inferiores a 10 µm y superiores a 2,5 µm; inferiores a 2,5 µm. El dispositivo está calefactado para evitar condensaciones en los filtros y dispone de varias boquillas para operar en condiciones isocinéticas, siguiendo los estándares ISO 13721 e ISO 23210.
Analizador portátil ELPI
Un impactador eléctrico de baja presión (ELPI) con 14 etapas permite determinar la concentración y la distribución de tamaños de las partículas presentes en los humos.
Sistema de muestreo de alquitranes
El muestreo de alquitranes en el gas de gasificación se realiza mediante un protocolo basado en la especificación técnica CEN/TS 15439 y la concentración de cada componente se determina posteriormente en el laboratorio. Además, los alquitranes gravimétricos se determinan con un evaporador rotativo, siguiendo la misma especificación técnica.
