Contribuciones en la investigación de las cenizas y del ensuciamiento en calderas de combustión de biomasa : técnicas analíticas y contraste experimental

Abstract

La biomasa como fuente de energía renovable es un factor clave a tener en cuenta en el desarrollo energético sostenible. Las transformaciones energéticas de la biomasa conllevan una problemática inherente al combustible utilizado y al propio proceso de transformación. Con el objetivo de optimizar y maximizar el rendimiento de los procesos, estos problemas deben ser identificados, entendidos e investigados en profundidad, a través de las técnicas analíticas adecuadas. De esta necesidad surge el estudio implementado en el presente trabajo. En esta tesis se presentan contribuciones experimentales en la investigación de cenizas de biomasa y de ensuciamiento procedentes de calderas de combustión mediante la aplicación de distintas técnicas analíticas. El principal objetivo de la tesis es la puesta a punto de técnicas analíticas para su aplicación en la caracterización de muestras procedentes de calderas de combustión, aportando y contrastando una metodología que permita conocer en profundidad el comportamiento térmico y químico de las cenizas y del ensuciamiento de la biomasa. En la primera parte de la tesis se realiza una preparación previa de las técnicas analíticas empleadas a lo largo de las investigaciones, trabajando en concreto con la termogravimetría y calorimetría de barrido diferencial (TG-DTA/DSC) y la espectroscopía infrarroja de ransformada de Fourier (FTIR). Esta primera parte se divide en dos estudios. Primero, se realizan ensayos experimentales del proceso de fusión del indio en un equipo TG-DTA/DSC como parte de su calibración y se comparan con resultados de simulación para asegurar el correcto funcionamiento del equipo y determinar su potencial para la caracterización del comportamiento térmico de la biomasa. Segundo, se desarrolla una metodología experimental para la extracción de aceites condensables de pirólisis de biomasa, descubriendo que el comportamiento de la deposición depende estrechamente de la composición de la biomasa pirolizada y de las condiciones térmicas. En la segunda parte de la tesis, se aplican las técnicas anteriores y otras técnicas de análisis químico elemental y composicional; en concreto, la espectroscopía de fluorescencia de rayos X (XRF), la microscopía electrónica de barrido con espectroscopía de energía dispersiva de rayos X (SEM-EDS) y la espectroscopía de difracción de rayos X (XRD), a muestras procedentes de la combustión de biomasa en una caldera experimental de lecho fijo de baja potencia. Esta segunda parte se divide en cuatro trabajos diferentes. Primero, se caracterizan y comparan muestras de cenizas de parrilla y de dos capas de ensuciamiento procedentes de la combustión de pellet de madera en una caldera experimental a través de todas las técnicas disponibles, revelando conclusiones en cuanto al comportamiento térmico y químico de las muestras y en cuanto a la aplicabilidad de las técnicas analíticas estudiadas. Segundo, se estudian las diferencias de dos tipos de cenizas obtenidas con métodos y equipos diferentes. Una de ellas obtenida en un horno de mufla a una temperatura constante de 550°C y la otra obtenida de la combustión de biomasa en una caldera experimental. Se concluye que los factores más importantes que influyen en la composición de las cenizas de una misma biomasa son la temperatura alcanzada y su uniformidad así como el tamaño y la forma de las partículas del combustible. Tercero, se realiza un estudio comparativo sobre la precisión y la exactitud de las técnicas SEM-EDS y XRF aplicadas a la determinación de la composición elemental de la ceniza de biomasa procedente de una caldera experimental, concluyendo que la técnica SEM-EDS no puede reemplazar a la técnica XRF, pero proporciona resultados semicuantitativos que pueden ser válidos en función del objetivo del estudio. En cuarto lugar, y por último, se estudia la influencia de parámetros operativos de la combustión en la composición del ensuciamiento del tubo intercambiador de calor. En concreto, se investiga la influencia del caudal de aire total suministrado y de la temperatura superficial del tubo de agua, obteniéndose distintas tendencias en el comportamiento térmico y químico de la materia orgánica e inorgánica que compone el ensuciamiento. Los principales resultados de los estudios realizados revelan la importancia de una correcta caracterización térmica y química de las muestras de ceniza y de ensuciamiento para conocer su comportamiento durante la combustión. Se demuestra que el comportamiento de estas muestras depende principalmente de su composición y que esta composición está influenciada no solamente por la composición del combustible utilizado, sino también, por otros parámetros como la temperatura alcanzada en el equipo, la uniformidad de esta temperatura, el tamaño y forma de las partículas de combustible, el caudal suministrado en la combustión o la temperatura del agua de la caldera. Además, se concluyen diferencias significativas entre las capas de ensuciamiento revelando tendencias de ciertos elementos y compuestos en las distintas fases de formación del ensuciamiento. En cuanto a la viabilidad práctica de las principales técnicas analíticas estudiadas para la caracterización de muestras de ceniza y ensuciamiento de biomasa se demuestra qué técnicas resultan adecuadas en función de los objetivos perseguidos y de las limitaciones operativas en cada estudio