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[ES] Reducir las emisiones de gases contaminantes de los motores de combustión interna alternativos (MCIA) es uno de los mayores retos para combatir el calentamiento global. Dado que los motores seguirán siendo utilizados por la industria durante décadas, es necesario desarrollar nuevas tecnologías. En este contexto, la presente tesis doctoral viene motivada por la necesidad de seguir mejorando los motores, tanto desde el punto de vista de la ingeniería técnica como desde el punto de vista social, debido a los efectos de los gases de efecto invernadero. El objetivo principal de esta tesis es desarrollar una metodología de optimización para sistemas de combustión de motores de encendido por compresión (MEC) mediante el acoplamiento de algoritmos de optimización con simulación por ordenador. Con la optimización de los sistemas de combustión es posible aumentar la eficiencia de los motores, reduciendo así el consumo de combustible junto con la reducción de emisiones contaminantes, en particular óxidos de nitrógeno (NOx) y hollín. En el primer paso, se abordan diferentes algoritmos de optimización con el fin de elegir el mejor candidato para esta metodología. A partir de aquí, la primera optimización se centra en un motor de encendido por compresión que funciona con combustible convencional para validar la metodología y también para evaluar el estado actual de evolución de estos motores. Con el objetivo de reducir el consumo de combustible manteniendo los niveles de NOx y hollín por debajo de los valores de un motor real, se inicia el proceso de optimización. Los resultados obtenidos confirman que un nuevo sistema de combustión específico para este motor podría generar una reducción del consumo de combustible manteniendo las emisiones de gases por debajo del valor estipulado. Además, se concluye que los motores MEC que utilizan combustible convencional se encuentran ya en un nivel de eficiencia muy elevado, y es difícil mejorarlos sin utilizar un sistema de postratamiento. Así pues, el segundo bloque de optimización se basa en el uso de motores MEC que funcionan con un combustible alternativo, que en este caso es el OME. El objetivo de este estudio es diseñar un sistema de combustión específico para un motor que utilice este combustible y que ofrezca un rendimiento del mismo orden de magnitud que un motor diésel. En la búsqueda de una mayor eficiencia, las emisiones de NOx son una restricción del sistema de optimización para que el sistema de combustión no emita más gases que un motor real. En este caso, el hollín no se tiene en cuenta debido a que las características del combustible no producen este tipo de contaminante. Los resultados mostraron que un sistema de combustión diseñado específicamente para esta operación podía ofrecer altas eficiencias, incluso la eficiencia obtenida fue alrededor de 2,2 % mayor en comparación con el motor diesel real. Además, fue posible reducir a la mitad las emisiones de NOx cuando el motor funciona con OME. El último bloque de optimización se refiere a una nueva arquitectura de motor que permite eliminar las emisiones de NOx. El modelo de oxicombustión resulta apasionante, ya que se elimina el nitrógeno de la mezcla de admisión y, por tanto, no se generan emisiones que contengan N2. Además, con el uso de este modo de combustión, es posible capturar CO$_{2}$ de los gases de escape, que luego puede venderse en el mercado. Dado que se trata de un tema nuevo y poco investigado, los resultados son prometedores. Demuestran que fue posible obtener un sistema de combustión específico capaz de ofrecer niveles de eficiencia cercanos a los de los motores convencionales. Además, se eliminaron las emisiones de NOx, así como las de hollín. Adicionalmente, este sistema fue capaz de reducir las emisiones de CO y HC a niveles similares a los motores convencionales. Por otra parte, los resultados presentados en esta tesis doctoral proporcionan una base de datos ampliada para explorar el funcionamiento del motor CI., [CAT] Reduir les emissions de gasos contaminants dels motors de combustió interna alternatius (MCIA) és un dels majors reptes per a combatre el camvi climàtic. Atés que els motors continuaran sent utilitzats per la indústria durant dècades, és necessari desenvolupar noves tecnologies. En aquest context, la present tesi doctoral ve motivada per la necessitat de continuar millorant els motors, tant des del punt de vista de l'enginyeria tècnica com des del punt de vista social, degut a l'efecte dels gasos d'efecte d'hivernacle. L'objectiu principal d'aquesta tesi és desenvolupar una metodologia d'optimització per a sistemes de combustió de motors d'encesa provocada mitjançant l'acoblament d'algorismes d'optimització amb simulació per ordinador. Amb l'optimització dels sistemes de combustió és possible augmentar l'eficiència dels motors, reduint així el consum de combustible, concomitantment amb la reducció d'emissions de gasos, en particular òxids de nitrogen (NOx) i sutge. En el primer pas, s'aborden diferents algorismes d'optimització amb la finalitat d'elegir el millor candidat per a aquesta metodologia. A partir d'ací, la primera optimització se centra en un motor d'encesa per compressió que funciona amb combustible convencional per a validar la metodologia i també per a avaluar l'estat actual d'evolució d'aquests motors. Amb l'objectiu de reduir el consum de combustible mantenint els nivells de NOx i sutge per davall dels valors d'un motor real, s'inicia el procés d'optimització. Els resultats obtinguts confirmen que un nou sistema de combustió específic per a aquest motor podria generar una reducció del consum de combustible mantenint les emissions de gasos per davall del valor estipulat. A més, es conclou que els motors d'encesa per compressió que utilitzen combustible convencional es troben ja en un nivell d'eficiència molt elevat, i és difícil millorar-los sense utilitzar un sistema de posttractament. Així doncs, el segon bloc d'optimització es basa en l'ús de motors d'encesa per compressió que funcionen amb un combustible alternatiu, que en aquest cas és el OME. L'objectiu d'aquest estudi és dissenyar un sistema de combustió específic per a un motor que utilitze aquest combustible i que oferisca un rendiment del mateix ordre de magnitud que un motor dièsel. En la cerca d'una major eficiència, les emissions de NOx són una restricció del sistema d'optimització perquè el sistema de combustió no emeta més gasos que un motor real. En aquest cas, el sutge no es té en compte pel fet que les característiques del combustible no produeixen aquest tipus de contaminant. Els resultats van mostrar que un sistema de combustió dissenyat específicament per a aquesta operació podia oferir altes eficiències, fins i tot l'eficiència obtinguda va ser al voltant de 2,2 % major en comparació amb el motor dièsel real. A més, va ser possible reduir a la meitat les emissions de NOx quan el motor funciona amb OME. L'últim bloc d'optimització es refereix a una nova arquitectura del motor que permet eliminar les emissions de NOx. El model de oxicombustió resulta apassionant, ja que s'elimina el nitrogen de la mescla d'admissió i, per tant, no es generen emissions que continguen N2. A més, amb l'ús d'aquesta manera de combustió, és possible capturar CO$_{2}$ dels gasos de fuita, que després pot vendre's en el mercat. Atés que es tracta d'un tema nou i poc investigat, els resultats són prometedors. Demostren que va ser possible obtindre un sistema de combustió específic capaç d'oferir nivells d'eficiència pròxims als dels motors convencionals. A més, es van eliminar les emissions de NOx, així com les de sutge. Addicionalment, aquest sistema va ser capaç de reduir les emissions de CO i HC a nivells similars als motors convencionals. D'altra banda, els resultats presentats en aquesta tesi doctoral proporcionen una base de dades ampliada per a explorar el funcionament del motor CI., [EN] Reducing emissions of pollutant gases from internal combustion engines (ICE) is one of the biggest challenges to combat global warming. As the engines will continue to be used by industry for decades, it is necessary to develop new technologies. In this context, the present doctoral thesis was motivated by the need to further improve engines, both from a technical engineering and social point of view, due to the effects of greenhouse gases. The main objective of this thesis is to develop an optimization methodology for compression ignition (CI) engine combustion systems by coupling optimization algorithms with computer simulation. With the optimization of the combustion systems, it is possible to increase the efficiency of the engines, thus reducing fuel consumption, concomitantly with the reduction of gas emissions, in particular nitrogen oxides (NOx) and soot. In the first step, different optimization algorithms are addressed in order to elect the best candidate for this methodology. From this point on, the first optimization is focused on a CI engine operating with conventional fuel in order to validate the methodology and also to evaluate the current state of evolution of these engines. With the goal of reducing fuel consumption while keeping NOx and soot levels below the values of a real engine, the optimization process begins. The results obtained confirm that a new combustion system specifically for this engine could generate a reduction in fuel consumption while keeping gas emissions below the stipulated value. Furthermore, it is concluded that CI engines using conventional fuel are already at a very high-efficiency level, and it is difficult to improve them without the use of an after-treatment system. Thus, the second optimization block is based on the use of CI engines operating on an alternative fuel, which in this case is OME. This study aimed to design a specific combustion system for an engine using this fuel that delivers efficiency on the same order of magnitude as a diesel engine. While searching for better efficiency, the NOx emissions are a restriction of the optimization system so that the combustion system does not emit more gases than a real engine. In this case, soot is not considered due to the characteristics of the fuel not producing this kind of pollutant. The results showed that a combustion system designed specifically for this operation could deliver high efficiencies, including the efficiency obtained was around 2.2 \% higher compared to the real diesel engine. In addition, it was possible to halve the NOx emissions when the engine operates with OME. The last optimization block concerns a new engine architecture that makes it possible to eliminate NOx emissions. The oxy-fuel combustion model is exciting since nitrogen is eliminated from the intake mixture, and thus no emissions containing N2 are generated. Furthermore, with the use of this combustion mode, it is possible to capture CO$_{2}$ from the exhaust gas, which can then be sold to the market. Since this is a new and little-researched topic, the results are promising. They show that it was possible to obtain a specific combustion system capable of delivering efficiency levels close to conventional engines. Furthermore, NOx emissions were eliminated, as well as soot emissions. Additionally, this system was able to reduce CO and HC emissions to levels similar to conventional engines. Moreover, the results presented in this doctoral thesis provide an extended database to explore the CI engine operation. Additionally, this work showed the potential of computational simulation allied with mathematical methods in order to design combustion systems for different applications., I want to thanks the Universitat Politecnica de Valencia for his predoctoral contract (FPI-2019-S2-20-555), which is included within the framework of Programa de Apoyo para la Investigacion y Desarrollo (PAID).

[ES] Este trabajo de fin de grado se va a focalizar en el estudio de diferentes estrategias de inyección para mitigar los elevados gradientes de presión que se producen en un motor de encendido por compresión de inyección directa cuando este opera con oxicombustión. Para esto, se va a hacer uso de herramientas teóricas predictivas como VEMOD, plataforma de modelado 0D-1D, para evaluar las posibles consecuencias del uso de inyecciones pilotos. El documento en cuestión se centrará en la construcción y puesta a punto del modelo predictivo referente a la sala de ensayos que se empleará en un proyecto de investigación, así como al desarrollo de las simulaciones y el estudio de las tendencias obtenidas.

[ES] La finalidad de este Trabajo Final de Grado es el estudio de la viabilidad de la oxicombustión en un motor marino diésel de dos tiempos aportado por la empresa Wärtsilä. Para realizar el estudio, Wärtsilä envió el modelo experimental del motor en un software de simulación llamado GT-POWER al CMT- Instituto de Motores Térmicos de la Universidad Politécnica de Valencia, donde un equipo de investigadores se encargó de realizar el estudio. Wärtsilä es una empresa muy concienciada con el desarrollo sostenible y es por lo que estudia procesos que puedan lograr la reducción de emisiones. Por otro lado, la normativa marítima también es cada vez más exigente con el nivel de emisiones y cada vez es más necesario estudiar técnicas para reducir las emisiones a la atmósfera. Empleando la oxicombustión logramos enriquecer los gases de escape recirculados al motor con oxígeno y evitamos el resto de las sustancias que forman el aire, especialmente nitrógeno que supone aproximadamente un 76% de su composición. Al no emplear aire evitamos la formación de NOX y podemos capturar el CO2 para poder tratarlo mejor. Por tanto, el proyecto consistió en introducir el modelo del motor en VEMOD, un programa de simulación desarrollado en el propio CMT- Instituto de Motores Térmicos, y una vez ajustado el modelo, incorporar el proceso de oxicombustión con tal de estudiar su viabilidad., [CA] La finalitat d'aquest Treball Final de Grau és l'estudi de la viabilitat de la oxicombustió en un motor marí dièsel de dos temps aportat per l'empresa Wärtsilä. Per realitzar l'estudi, Wärtsilä va enviar el model del motor en un software de simulació anomenat GT-POWER al CMT- Institut de Motors Tèrmics de la Universitat Politècnica de València, on un equip d'investigadors es va encarregar de realitzar l'estudi. Wärtsilä és una empresa molt conscienciada amb el desenvolupament sostenible i és pel que estudia processos que puguin aconseguir la reducció d'emissions. D'altra banda, la normativa marítima també és cada vegada més exigent amb el nivell d'emissions i cada vegada és més necessari estudiar tècniques per reduir les emissions a l'atmosfera. Emprant la oxicombustió aconseguim utilitzar únicament oxigen en la combustió dins dels cilindres i evitem la resta de les substàncies que formen l'aire, especialment nitrogen que suposa aproximadament un 76% de la seua composició. Al no emprar aire evitem la formació de NOX i ens permet atrapar el CO2 i així poder tractar-lo millor. Per tant, el projecte va consistir en introduir el model del motor a VEMOD, un programa de simulació desenvolupat en el propi CMT- Institut de Motors Tèrmics, i un cop validat el model, incorporar el procés de oxicombustió a el model per tal d'estudiar la seua viabilitat., [EN] The purpose of this Final Degree Project is to study the feasibility of oxy-fuel combustion in a two-stroke diesel marine engine provided by the company Wärtsilä. To carry out the study, Wärtsilä sent the engine model in a simulation software called GTPOWER to the CMT- Institute of Thermal Engines of the Polytechnic University of Valencia, where a team of researchers carried out the work. Wärtsilä is a company very aware of sustainable development and that is why it studies processes that can achieve the reduction of emissions. On the other hand, maritime regulations are also increasingly demanding with the level of emissions, and it is increasingly necessary to study techniques to reduce emissions into the atmosphere. Using oxy-fuel combustion, we can only use oxygen in the combustion inside the cylinders and avoid the rest of the substances that form the air, especially nitrogen, which accounts for approximately 76% of its composition. By not using air we avoid the formation of NOX, and it allows us to trap CO2 and thus be able to treat it better. Therefore, the project consisted of introducing the engine model in VEMOD, a simulation program developed at the CMT- Thermal Engine Institute itself, and once the model had been validated, incorporating the oxy-fuel combustion process into the model to study its viability.

[ES] Se estudia el concepto de oxicombustión en un motor de encendido por compresión (CIE) que utiliza membranas conductoras iónico-electrónicas mixtas (MIEC) para separar el oxígeno (O2) del aire para lograr una combustión limpia que elimine completamente las emisiones de óxidos de nitrógeno (NOx) y que permita una futura captura de dióxido de carbono (CO2). La recirculación de los gases de escape (EGR), compuesta principalmente por CO2 y agua, es utilizada para controlar la temperatura en el cilindro y se recupera la energía residual de los gases de escape para producir el O2 requerido por el motor mediante el calentamiento de la MIEC. Para ello, se analizan diferentes configuraciones del motor (en cuanto a la disposición de los turbocompresores y los intercambiadores de calor) con el fin de encontrar la óptima en términos de eficiencia energética y rendimiento del motor. Básicamente, se estudian dos sistemas diferentes de control de EGR (CS): uno con una turbina de geometría variable (TGV) en la línea de EGR y otro con una TGV en la línea de escape de los cilindros. En este trabajo se emplea un software de simulación, denominado Virtual Engine Model (VEMOD), para construir y analizar el modelo de motor de oxicombustión propuesto lo cual se calibra con datos experimentales. Se evalúa el motor y sus componentes auxiliares (turbocompresores e intercambiadores de calor) en condiciones de combustión de oxicombustión para los puntos de funcionamiento a plena carga del motor desde 1250 rpm hasta 3500 rpm. A altos regímenes el motor de combustión de oxicombustión propuesto proporciona potencia y eficiencia indicada similares a los de un CIE convencional, mientras que, a regímenes bajos, aunque tenga un mayor consumo de combustible específico del freno (BSFC) (más de 10% en valor promedio), se observa una mejora de la potencia efectiva (más de 30% en valor promedio). En cualquier caso, el resultado de la innovación es la viabilidad del compromiso entre el BSFC y las emisiones de CO2 debido a la captura de CO2. Además, en el marco de un proyecto de la AVI (Agència Valenciana de la Innovació) para la valorización y transferencia de resultados de investigación a las empresas, en este caso el nombre del proyecto es "Demostrador de un motor de combustión interna alternativo rápido con oxicombustión destinado al secuestro de CO2", una vez establecido el estudio del motor bajo condiciones de oxicombustión a plena carga, se analizan dos estrategias propuestas para bajar la carga del motor controlando el combustible inyectado: la primera es mantener constante la relación oxígeno-combustible (lambda) y disminuir la temperatura del colector de escape; la segunda es mantener fija la temperatura del colector de escape y aumentar lambda reduciendo el combustible inyectado con la cantidad de O2 constante. Tras analizar el efecto de las dos estrategias en el comportamiento del motor en términos de eficiencia efectiva, no hay una estrategia clara que parezca más eficiente para bajar la carga del motor, ya que hay que tener en cuenta que este modelo (que utiliza la ley de liberación de calor en el punto de plena carga para los puntos de cargas parciales) no es capaz de evaluar los cambios en la combustión debidos a la disponibilidad de más o menos oxígeno y, por tanto, para decidir qué estrategia adoptar, es necesario seguir avanzando en el estudio de la propia combustión., [EN] Oxy-fuel combustion concept is studied in a compression ignition engine (CIE) using Mixed Ionic-electronic Conducting Membranes (MIEC) to separate oxygen (O2) from air in order to achieve a clean combustion eliminating completely nitrogen oxides (NOx) emissions and enabling upcoming carbon dioxide (CO2) capture. Exhaust gas recirculation (EGR), composed mainly by CO2 and water, is used to control the in-cylinder temperature and exhaust gases wasted energy is recovered for producing the O2 required by the engine by heating up the MIEC. For this purpose, different engine configurations (in terms of turbochargers and heat exchangers layout) are analyzed in order to find out the optimum one in terms of energy efficiency and engine performance. Basically, two different EGR control systems (CS) are studied: one with a variable geometry turbine (VGT) on EGR line and other with a VGT on cylinder exhaust line. A simulation software, so-called Virtual Engine Model (VEMOD), is employed in this work to build and analyze the proposed oxy-fuel engine model which is calibrated with experimental data. The engine and its auxiliary components (turbochargers and heat exchangers) are assessed under oxy-fuel combustion conditions for the engine full load operation points from 1250 rpm to 3500 rpm. If compared to a conventional CIE, at high engine speeds the proposed oxy-fuel combustion engine provides similar brake power and indicated efficiency, whereas at low engine speeds, even if it yields higher brake-specific fuel consumption (BSFC on average, more than 10%), a brake power enhancement (on average, more than 30%) is observed. In any way the breakthrough result is the feasible end of correlation between BSFC and CO2 emissions due to CO2 capture. In addition, as part of an AVI (Agència Valenciana de la Innovació) project for valorization and transfer of research findings to companies, in that case the project¿s name is ¿Demostrador de un motor de combustion interna alternativo rápido con oxicombustión destinado al secuestro de CO2¿, once the study of engine performance operating under oxy-fuel combustion at full load points has been well-established, two proposed strategies to lower the engine load controlling the injected fuel are analyzed: the first one is keeping the oxygen-fuel ratio (lambda) constant and decreasing the exhaust manifold temperature; the second one is holding the exhaust manifold temperature fixed and increasing lambda by reducing the injected fuel with the O2 amount constant. After analyzing the effect of the two strategies on engine behavior in terms of effective efficiency, there is no clear strategy which seems to be more efficient for lowering the engine load, because it must be taken into account that this model (using the heat release law at full load point for partial load ones) is not able to evaluate the changes in combustion due to the availability of more or less oxygen and, therefore, in order to decide which strategy to adopt, it is necessary to further progress in the study of the combustion itself.

[ES] Con el fin de mitigar el impacto ambiental producto de la actividad humana, los principales países del mundo buscan activamente planes de desarrollo sostenibles para que los diversos sectores productivos mantengan su actividad de forma eficiente y al mismo tiempo minimizando los contaminantes producidos. Para paliar dicha problemática la Comisión Europea ha puesto como objetivo para el año 2030 reducir un 40% las emisiones de gases de efecto invernadero (CO2, CH4 y gases fluorados entre otros), como así también aumentar la eficiencia energética del territorio europeo un 32.5%. Adicionalmente, se busca reducir la polución de las zonas urbanas producida por el CO, HC, NOx y PMx con el fin de mejorar la calidad del aire, ya que estos productos se registraron como los causantes de 490.000 muertes prematuras en el año 2018. Por estas razones se ha establecido como objetivos prioritarios la descarbonización del sistema energético, la generación de una economía circular y el desarrollo de un transporte sostenible. Uno de los sectores con mayores emisiones es el del transporte, representando un 25% de las emisiones que contribuyen al efecto invernadero dentro del continente europeo. Como alternativa para solucionar la problemática, surge la electrificación de los vehículos. Si bien esto reduciría a cero las emisiones locales, los motores eléctricos presentan una baja autonomía y un alto tiempo de recarga de las baterías. Se ha planteado como solución en los últimos años acoplar un motor de combustión interna de forma que trabaje de manera hibrida con el motor eléctrico para solventar las limitaciones de este último, pero debido a que se continúa haciendo uso de un MCIA operando con combustión convencional, seguimos estando ante la presencia de un sistema que produce emisiones contaminantes. Finalmente, cabe destacar que las soluciones mencionadas, a día de hoy, son inviables en sectores como el transporte marítimo o maquinaria pesada, así como en aplicaciones estacionarias. Considerando otras tecnologías en desarrollo, surge como alternativa prometedora la implementación de un MCIA operando bajo el concepto de la oxicombustión. En este caso, a diferencia de la combustión convencional, el proceso de oxicombustión se lleva a cabo en un ambiente altamente enriquecido con O2, en el cual se controla las altas temperaturas a partir de la recirculación de los gases de escape (EGR por sus siglas en inglés), compuestos principalmente por CO2 y vapor de H2O, en lugar de N2. Dentro de los beneficios que conlleva la implementación de la oxicombustión está la posibilidad de capturar el CO2 para su uso como subproducto en una economía circular. Por otra parte, gracias a la ausencia de N2 en el comburente se eliminarían los NOx producidos por las altas temperaturas de la combustión. En el mencionado contexto, este trabajo de fin de Master busca establecer los rangos de operación en los que podría funcionar un MCIA de encendido provocado operando con oxicombustión, sin superar sus límites termo-mecánicos. Para lograr este propósito es de vital importancia analizar el proceso de combustión, por ello, en primer lugar se validará una metodología mediante el acople de simulaciones 0D-1D y CFD para determinar la ley de combustión en un cilindro cuya composición presenta altas concentraciones de O2. Con esta metodología validada, se estudiarán distintos niveles de EGR con el fin de establecer el mínimo porcentaje de O2 necesario para no superar las temperaturas límite de los materiales y el máximo valor que podría utilizarse sin degradar drásticamente la combustión., [EN] To mitigate the environmental impact caused by human activity, the world¿s main countries actively pursuit sustainable development plans so that productive sectors maintain their activity efficiently while minimizing the pollutants emissions. In particular, the European Commission has set a goal for 2030 to reduce greenhouse gas emissions by 40% (CO2, CH4 and fluorinated gases, among others), as well as to increase the energy efficiency of the European territory by 32.5%. Additionally, it seeks to reduce the pollution of urban areas produced by CO, HC, NOx and PMx to improve air quality, since these products were recorded as causing 490.000 premature deaths in 2018. For these reasons, the decarbonization of the energy system, the generation of a circular economy and the development of sustainable transport have been established as priority objectives. Transport sector represent 25% of the emissions that contribute to the greenhouse effect within the European continent. The electrification of vehicles appears as an alternative to reduce the pollutants produced by the transport sector. Although this would diminish local emissions to zero, electric motors have still a low autonomy and a long battery recharging time. Hybrid systems have been proposed to deal with these disadvantages, but these systems have an internal combustion engine (ICE) that still produces pollutant emissions. Finally, it should be noted that the aforementioned solutions based on electrification are unfeasible in the maritime sector, in heavy duty vehicles or in stationary applications. Considering other technologies under development, the implementation of an ICE operating under the oxy-fuel combustion concept arises as a promising solution. In this case, unlike conventional combustion, the oxy-fuel combustion process is carried out in a highly enriched O2 environment, in which high temperatures are controlled from the exhaust gases recirculation (EGR), composed mainly of CO2 and H2O vapor, instead of N2. Among the benefits of oxy-fuel combustion there is the possibility of capturing CO2 to be used in a circular economy. On the other hand, the NOx produced due to the high combustion temperatures would be eliminated thanks to the absence of N2 in the oxidizer. In this context, this Master thesis aims to establish the operating range where oxy-combustion spark ignition engines can operate in optimal conditions without exceeding the thermo-mechanical limits of the engine. For this purpose, the combustion process needs to be analyzed, thus a methodology based on coupling 0D-1D and CFD simulations will be validated to determine the heat release law in a highly enriched O2 atmosphere. With this validated methodology, different EGR levels will be studied to set the minimum O2 concentration necessary to avoid exceeding the temperatures limit of the materials and the maximum value that could be used without causing a combustion degradation.

[ES] El sector del transporte deberá adaptarse a un futuro con cero emisiones de gases contaminantes y de efecto invernadero. La aviación general, como el resto de aviación, también está inmersa en este gran desafío. Existen múltiples tecnologías en desarrollo que buscan disminuir los efectos contaminantes, como la combustión con hidrógeno, las pilas de combustible, la propulsión eléctrica con baterías o el uso de biocombustibles. Algunas de estas técnicas eliminan únicamente la generación de dióxido de carbono. Otras, como las baterías eléctricas, son completamen- tente limpias pero conllevan otros problemas como la densidad energética reducida que penaliza el alcance y autonomía. Frente a esta problemática, se desarrolla la tecnología de oxicombustión con generación de oxígeno embarcada y captura de dióxido de carbono. Mediante esta, los gases de la combustión, libres de nitrógeno evitan la emisión de sus óxidos contaminantes mientras que el dióxido de carbono es sencillo de capturar. En este trabajo se presenta un estudio de viabilidad de una planta propulsiva de oxicombustión con captura de dióxido de carbono en una aeronave representativa de la aviación general como es la Piper Cherokee. Para analizar la viabilidad se calculará el alcance y actuaciones comparando con otras plantas propulsivas e incluso con el propio motor de oxicombustión reducido en potencia y peso. La tecnología de oxicombustión resulta ser competitiva, con un alcance de hasta 2150 km, viendo reducida su capacidad cuando se añade la captura de CO2 cuyo alcance es de 1560 km. Según los resultados analizados, esta puede ser una alternativa interesante presentando unas actuaciones intermedias entre la combustión convencional y el motor eléctrico con un alcance que en ningún caso supera los 500 km., [EN] The transport sector must adapt to a future without polluting emissions and greenhouse gases. The general aviation, like the rest of aviation, is also immersed in this great challenge. There are multiple technologies under development with the aim of reducing polluting e ects, such as hydrogen combustion, fuel cells, electric propulsion with batteries or the biofuels. Some of these only avoid the generation of carbon dioxide. Others, such as electric batteries, are completely clean but have other problems such as reduced energy density that penalizes range and autonomy. In order to solve these problems, the oxy-fuel technology with on-board oxygen generation and carbon dioxide capture is developed. The nitrogen-free combustion gases avoid the emission of polluting oxides while carbon dioxide is easy to capture. This paper presents a study of oxy-fuel propulsion plant with carbon dioxide capture in a general aviation aircraft such as the Piper Cherokee. To analyze the viability, the range and performance will be calculated and compared with other propulsive plants and even with the oxy-fuel engine itself, reduced in power and weight. Oxy-fuel technology turns out to be competitive, with a range up to 2150 km. With the CO2 capture, its capacity is reduced to a 1560 km range. According to the results analyzed, this may be an interesting alternative with intermediate performances between conventional combustion and the electric motor with a range that in no case exceeds 500 km.

[ES] Actualmente nos encontramos en una situación de emergencia climática sin precedentes, a la que los gobiernos y organizaciones internacionales están respondiendo con medidas de control y reducción de emisiones contaminantes y de efecto invernadero. El sector del transporte, y en concreto el transporte por carretera, es uno de los principales focos de generación de este tipo de emisiones, por lo que han surgido diferentes vías para atajar este problema como pueden ser la mejora del rendimiento de los motores, el uso de biocombustibles o la electrificación del transporte por carretera. En este proyecto, sin embargo, se pretende analizar la viabilidad de una nueva tecnología: la oxicombustión con producción de oxígeno in-situ y captura de CO2 combinada con la hibridación del vehículo. Esta tecnología permite realizar la combustión con un gas formado por oxígeno y EGR mediante la separación del oxígeno y el nitrógeno presente en el aire por medio de una membrana MIEC. El uso de las baterías consigue desacoplar el giro de las ruedas del funcionamiento del motor, permitiendo que este funcione continuamente en el punto de mínimo BSFC, lo que favorece el funcionamiento de la membrana y reduce el consumo de combustible. En este proyecto se analizará la viabilidad de esta tecnología mediante la simulación del ciclo de conducción WLTP con tres vehículos diferentes. Además, esta se comparará con alternativas actuales, demostrando la reducción de emisiones frente a los motores de combustión interna alternativos actuales así como la mayor autonomía frente a los vehículos eléctricos. Por último, este proyecto se enmarcará en los denominados Objetivos de Desarrollo Sostenible en los que se trabaja tanto a nivel nacional desde el gobierno de España como a nivel institucional desde la UPV., [EN] We are currently facing a climatic emergency without precedents, to which governments and international organisations are responding with measures to control and reduce pollutant and greenhouse emissions. The transport sector, more specifically the road transport, is responsible for a huge part of the aforementioned emissions. Therefore, several measures have been developed so as to solve this problem, such as the improvement of the efficiency of the engines, the use of bio-fuels or the electrification of the vehicles. This project, however, aims to analyze the viability of a new technology: the oxycombustion with oxygen production in-situ and CO2 capture combined with the hybridization of the vehicle. This technology allows to perform the combustion process with a gas composed by oxygen and EGR thanks to the separation of the oxygen and nitrogen done by the MIEC membrane. The use of batteries helps disconnecting the wheels from the engine, allowing the latter to always work in the minimum BSFC point, which benefits the performance of the membrane and reduces the fuel consumption. In this project, the viability of this new technology will be analyzed by the simulation of the WLTP driving cycle with three different vehicles. Moreover, this technology will be compared with current alternatives, proving the reduction of emissions compared with current internal combustion engines and the increase of endurance compared with electric vehicles. Finally, this project will be related to the Sustainable Development Goals, which are defended both from a national level by the Spanish government and an institutional level by the UPV.

En la actualidad, son muchas las formas de generación energética. Sin embargo, durante mucho tiempo, el sistema energético estuvo ligado, exclusivamente, por el uso de combustibles fósiles. A pesar del fuerte incremento en el estudio y uso de fuente de energías renovables, la dependencia de los combustibles fósiles es elevada, y se prevé que continúe siéndolo en las próximas décadas. Por esta razón, las emisiones de gases de efecto invernadero se han convertido en uno de los mayores problemas a escala mundial. Ante esto se han presentado algunas iniciativas, cuyo objetivo principal es reducir o evitar las emisiones de CO2 procedentes de grandes generadores de energía. Entre estas, se encuentran las tecnologías de captura, transporte, almacenamiento y usos del CO2 CAC/CAUC. Estas tecnologías constan de tres fases principales: la separación del dióxido de carbono del resto de residuos que se originan en la combustión. Esta fase puede realizarse antes, durante o posteriormente a la combustión, existiendo diferentes procesos, precombustión, oxicombustión y postcombustión. Estos procesos pueden llevarse a cabo en centrales térmicas, pero también en refinerías, industria siderúrgica, cementeras, entre otras. Tras su separación, el CO2 es transportado desde su punto de generación hasta el enclave donde se almacenará. Una vez aquí, el CO2 se es inyectado (almacenado) en formaciones geológicas, donde es confinado de forma segura por un tiempo indefinido. Otra opción final, sería darle un uso a este CO2, pasando de ser un simple residuo a un producto dotado con un valor económico. Esta tecnología es viable técnica y medioambientalmente, y los costes de capital están en la línea con lo esperado. Sin embargo, el mercado de comercio de CO2 y el coste de la reducción de emisiones no son suficientes para que los proyectos CAC/CAUC continúen. En el ámbito nacional, a estos factores se le suma la falta de una regulación normativa adecuada, y un rechazo por parte de la opinión pública y de asociaciones ecologistas. La aplicación de estas tecnologías se considera una buena medida, a corto plazo, en la lucha contra el cambio climático, siempre y cuando se apliquen junto con medidas de eficiencia energética y conversión de la industria energética a energías renovables a medio y largo plazo. Abstract: Nowadays, there are many ways to generate energy. However, for a long time, the only way to generate energy was using fossil fuels. Despite the extensive study and use of renewable energy sources, dependence on fossil fuels is very high. This is expected to continue for the next several decades. For this reason, greenhouse gas emissions have become one of the biggest problems on a global scale. To combat this fact, different measures have been developed. Among these are the CCS/CCUS technologies. This technology has three phases: separation of carbon dioxide from other combustion gases. This process can occur before, during and after combustion (pre-combustion, oxycombustion, post-combustion). This process can be carried out in thermal power station, steel industry, refineries, cement companies. Once the CO2 is captured, the CO2 has to be transported and finally stored in geological formations. Another option may be the use of CO2 as a final phase. This technology is technically viable and environmentally. The capital cost is as expected. However, the CO2 market and the cost of reducing emissions are not sufficient to CCS/CCUS projects. At the national level, there is also a lack of government regulation and rejection of public opinion and ecological associations. The application of these technologies is considered a good measure in the fight against climate change, in the short term. As long as they are applied together with energy efficiency measures and conversion of the energy industry to renewable energy in the medium and long term. Grado en Ingeniería de los Recursos Energéticos

[ES] Las emisiones contaminantes generadas por la actividad humana constituyen uno de los principales problemas medioambientales de la actualidad, motivo por el cual en los últimos años se han incrementado los esfuerzos en su control y reducción. Una de las tecnologías desarrolladas en los últimos años como medio para la reducción de la emisión de NOx y la captura de CO2 en los procesos de combustión, es la oxicombustión sin nitrógeno. El presente proyecto aborda el estudio de esta tecnología e investiga la viabilidad de su aplicación en motores de encendido provocado destinados a aplicaciones móviles., [EN] Pollutant emissions generated by human activity are one of the main environmental problems of today, beause of that, the efforts to control and reduce them have increased in recent years. One of the technologies developed in recent years as a way to reduce the emission of NOx and the capture of CO2 in combustion processes, is oxycombustion without nitrogen. This project addresses the study of this technology and investigates the feasibility of its application in spark-ignition engines intended for mobile applications., [CA] Les emissions contaminants generades per l’activitat humana constitueixen un dels principals problemes mediambientals de l’actualitat, motiu pel qual en els últims anys s’han incrementat els esforços en el seu control i reducció. Una de les tecnologies desenvolupades al llarg dels últims anys com mitjà per a la reducció de l’emissió de NOx i la captura de CO2 en els processos de combustió, és l’oxicombustió sense nitrogen. El present projecte aborda l’estudi d’aquesta tecnologia i investiga la viabilitat de la seua aplicació en motors d’encés provocat destinats a aplicacions mòbils.

[ES] En el siguiente estudio se realiza la selección básica de componentes y el análisis termoeconómico de una planta de producción de oxígeno a implementar en la industria cerámica española con el fin de realizar oxicombustión para alcanzar altas temperaturas que se demandan en esta industria. Para esto, se usan turbocompresores típicos de la industria automotriz y recuperación de calor de otros procesos. Se expone un ciclo donde se obtiene oxígeno de alta pureza a partir de una membrana de separación, la cual requiere altos gradientes de presión y temperatura de entrada. El ciclo toma los flujos de nitrógeno y oxígeno a alta temperatura resultantes para la recuperación de calor y el flujo de nitrógeno para impulsar las turbinas de los turbogrupos usados para el aumento de la presión del aire. De igual modo, se recupera calor de gases de escape provenientes de otros procesos cercanos a esta instalación. De manera inicial, se busca que el ciclo sea capaz de producir 0,12 kg/s, el cual corresponde al requerimiento de oxígeno de una planta cerámica en la Comunidad Valenciana. Por tanto, se abren dos casos que han sido analizados en este estudio para diferentes puntos de operación: el Caso 1, donde se utiliza un compresor eléctrico en la línea de oxígeno para aumentar el gradiente de presión requerido en la membrana al generar vacío y, el Caso 2, donde una fuente de calor adicional es implementada y la generación de vacío se realiza a partir del uso de un turbogrupo. De este modo, se analiza la producción de oxígeno desde un punto de vista termoeconómico para cada uno de los casos expuestos considerando los precios típicos en la industria de gas natural, electricidad y oxígeno de alta pureza. Para el cálculo de flujos energéticos en el ciclo, se utilizó la herramienta VEMOD, la cual ha sido desarrollada en I.U.I CMT Motores Térmicos, cuyo propósito inicial es el modelamiento 0D/1D de procesos termofluidodinámicos en motores Diesel, pero que actualmente es flexible para simular elementos independientes como turbogrupos, enfriadores, tuberías, intercambiadores de calor y membranas de separación. Adicionalmente, el estudio económico de estos flujos energéticos es realizado al usar indicadores como costo energético por oxígeno producido (en /Tn), energía consumida por oxígeno producido (en kWh/kg) y producción neta de oxígeno (en kg/s). Se halló un máximo de producción para el Caso 1 de 0.1235 kg/s con un costo de 29 /Tn y un mínimo de costo energético por oxígeno producido de 6 /Tn para un nivel de producción de 0.06 kg/s aproximadamente. Mientras tanto, para el Caso 2, se calculó un máximo de producción de 0.227 kg/s y un costo de 61 /Tn, y, aunque no se halló un mínimo en el costo de producción, al tener como referencia una producción de 0.12 kg/s como base, se estima un costo de producción de 35 /Tn. Por tanto, al considerar un precio de oxígeno de alta pureza disponible en la industria de 50 /Tn, se puede mencionar que ambos casos se muestran rentables al considerar su costo para una producción de alrededor de 0.12 kg/s. Sin embargo, se observan mayores niveles en el costo de producción para el Caso 2 que para el Caso 1, lo cual se explica en la alta cantidad de energía térmica utilizada en el calentador y en la baja eficiencia del grupo turbocompresor para mover el oxígeno debido al desequilibrio en el flujo trasegado entre la turbina y el compresor. Por esta razón, hay mayores restricciones en la operación del Caso 2 desde el punto de vista de la rentabilidad del proceso. En conclusión, se puede decir que el Caso 1 puede ser implementado para menores niveles de producción donde el costo unitario es una variable altamente restrictiva, mientras que el Caso 2 sería una opción viable al buscarse mayores niveles de producción, donde hay mayor margen para compensar los costos de operar una instalación de este tipo., [EN] A basic selection of components and a thermoeconomic analysis of an oxygen production plant to be used in the Spanish ceramic industry to implement oxycombustion to reach high temperatures that are demanded in this industry is performed in the following study. For this, typical turbochargers in the automotive industry and heat recovery from other processes are used. A cycle is described where high-purity oxygen using a separation membrane which requires high pressure gradients and inlet temperature. The cycle uses the oxygen and nitrogen flows at high temperature, which result of the air separation, to drive the turbines that moves the compressors used to increase the air pressure. Likewise, thermal energy from flue gases of other process near the facilities of this cycle is exploited. Initially, the aim is to study a cycle that produces 0.12 kg/s of oxygen, corresponding to the requirement of a ceramic plant in Valencia. Therefore, two different cases are analysed in this study for different operation points: Case 1, where an electric compressor is used in the oxygen line to increase the pressure gradient in the membrane by generating vacuum pressure, and, Case 2, where an additional heat source is added and the vacuum generation is performed using a turbocharger. Thus, the oxygen production is analysed from a thermoeconomic view for each of the exposed cases considering typical prices in the industry of natural gas, electricity and high-purity oxygen. Additionally, to calculate energy flows in the cycle, a computational tool called VEMOD is implemented, which has been developed in I.U.I CMT Motores Térmicos, whose initial purpose is the 0D/1D modelling of thermo and fluid dynamic processes in Diesel engines, but currently is flexible to simulate independent elements as turbochargers, coolers, pipes, heat exchangers and separation membranes. Moreover, the economic study of this energy flows is performed by using indicators as energy cost per produced oxygen (in /Tn), consumed energy per produced oxygen (in kWh/kg) and net oxygen production (in kg/s). It was found a maximum of production for Case 1 of 0.1235 kg/s, with a cost of 29 /Tn and a minimum energetic cost per produced oxygen of 6 /Tn for a production level of 0.06 kg/s approximately. Meanwhile, for Case 2, it was calculated a máximum of production of 0.227 kg/s and a cost of 61 /Tn, and, although a minimum value for production cost was not found, taking as a reference a production of 0.12 kg/s as a base, a production cost of 35 /Tn is estimated. Therefore, considering a cost for high-purity oxygen available in the industry of 50 /Tn, it can be mentioned that both cases exhibit profitable behaviours when a production of 0.12 kg/s is achieved. Nonetheless, higher levels of production cost are observed for Case 2 than for Case 1, which is explained with the high amount of thermal energy used in the heater and the low efficiency in the turbocharger implemented to generate vacuum in the oxygen line due the unbalance in the different flows driven in the turbine and the compressor. For this reason, there are more restrictions in the operation of Case 2 from a profitability view. In conclusion, it can be said that Case 1 can be implemented for lower production levels where cost production is a highly restrictive variable, while Case 2 would be a viable option when higher production levels are sought, where there is a higher margin to compensate the cost for operate in this type of installations.

[ES] El control de las emisiones contaminantes está siendo, en los últimos años, uno de los problemas sobre los que más se trabaja dentro del diseño de un motor de combustión. Los problemas derivados de estas sustancias han obligado al endurecimiento de los requisitos de homologación. Gracias al desarrollo de nuevos materiales y el avance en software de cálculo, soluciones como la Oxi-Combustión están cada vez más cerca de ser caminos viables para pequeños vehículos como turismos o avionetas. La Oxi-Combustión ofrece grandes ventajas en cuanto a emisiones contaminates se refiere, ya que no se producen óxidos de nitrógeno durante el proceso gracias a la ausencia de nitrógeno en el proceso de quema de combustible. En el presente proyecto se abordará, en primer lugar, el diseño de un motor Oxi-Combustión tomando como punto de partida un motor convencional ya existente montado sobre una pequeña aeronave. Finalmente se compararán las prestaciones de ambas plantas motrices estudiando la viabilidad del sistema Oxi-Combustión en el ámbito de la aviación general., [EN] The control of polluting emissions has been, in recent years, one of fields where is being working harder in the design of a combustion engine. The problems derived from these substances have forced the hardening of the approval requirements. Thanks to the development of new materials and the advance in calculation software, solutions such as Oxy-Combustion are getting closer to being viable paths for small vehicles such as cars or light aircraft. Oxy-Combustion offers great advantages in terms of polluting emissions, since nitrogen oxides are not produced during the process thanks to the absence of nitrogen in the fuel burning process. In the present project, the design of an Oxy-Combustion engine will be addressed first, taking as a starting point an already existing conventional engine mounted on a small aircraft. Finally, the performance of both power plants will be compared by studying the feasibility of the Oxy-Combustion system in the field of general aviation.

344 p. La presente tesis propone la oxicombustión como tecnología de generación de energía complementaria con las convencionales y, en particular, como método de valoración energética de residuos. Para estudiar y aplicar esta técnica se parte de residuos lignocelulósicos procedentes de cultivos energéticos, como son el maíz, el girasol y la colza, con una producción garantizada, y una microalga. Se estudia y analiza el proceso tradicional de combustión y de oxicombustión de estas biomasas, así como la mezcla de las mismas con una matriz de maíz. Para ello se emplea el análisis térmico y la termobalanza como principal herramienta experimental. Paralelamente, se analiza el factor económico como aspecto básico para garantizar la viabilidad del proceso industrial. Entre las conclusiones destacan, por un lado, que se necesita una política de subvención pública mucho más importante que la actual para conseguir que la planta de oxicombustión de biomasa tenga viabilidad económica (valor actual neto positivo. Y, por otro lado,se establece la necesidad de una estabilidad en las políticas energéticas de los gobiernos para atraer potenciales inversores a los países que contribuyan a su desarrollo económico y social y a la mejora de la sostenibilidad de nuestro planeta

La creciente necesidad de reducir las emisiones de CO2 a la atmósfera hace necesario el desarrollo de nuevas tecnologías que puedan aplicarse en todos los grandes focos emisores. La Captura y Almacenamiento de CO2 (CAC) se postula como una de las tecnologías necesarias y que puede contribuir de forma importante en la reducción de dichas emisiones, tanto para su aplicación en grandes centrales térmicas como en el sector industrial. Este trabajo muestra el estado actual de la tecnología CAC tanto a nivel mundial como a nivel nacional, para posteriormente centrarse en aquellas tecnologías más adecuadas para la industria del cemento. En este sentido, la oxicombustión y especialmente la realizada para la calcinación de la caliza (oxicalcinación) parece ser la más adecuada en instalaciones de nueva construcción, mientras que en instalaciones existentes es preferible la utilización de procesos post-combustión. Finalmente se muestran las diferentes iniciativas que se están desarrollando a nivel mundial para la captura de CO2 en la industria del cemento.

Actualmente la producción de energía eléctrica sigue en gran medida enraizada en las técnicas de producción convencionales con combustión de combustibles fósiles. En 2017 la producción de energía eléctrica en España con fuentes que emiten dióxido de carbón directamente fue del 42% sumando carbón, ciclo combinado y cogeneración (Red Eléctrica Española, 2017). Este hecho evidencia la fuerte dependencia que la energía tiene y seguirá teniendo con los combustibles fósiles debido a la necesidad de suministro continuo de energía que no garantizan hoy en día las energías renovables. Dentro de estas técnicas de producción, el ciclo combinado ha ido creciendo estos últimos años. En concreto, dentro del mercado español, el ciclo combinado ha aumentado su producción de energía unos 2-3 puntos porcentuales al año desde 2015, encontrándose ahora en el 13.6% de la producción de energía eléctrica en España. Esto se debe al mayor rendimiento que presenta esta tecnología con respecto a las demás y las reducidas emisiones respecto de otras tecnologías basadas en combustible fósil. Universidad de Sevilla. Grado en Ingeniería de Tecnologías Industriales

Tesis llevada a cabo para conseguir el grado de doctor en la Universidad de Zaragoza en octubre de 2014.-- Sobresaliente Cum-Laude., La emisión de gases de efecto invernadero provenientes de la combustión de combustibles fósiles para la obtención de energía, especialmente CO2, es uno de los principales problemas medioambientes al que actualmente tiene que hacer frente la comunidad internacional. Entre las opciones posibles y necesarias para mitigar estas emisiones a corto-medio plazo se encuentran las tecnologías de captura y posterior almacenamiento de CO2 (CAC). Dependiendo del momento donde se produce la etapa de concentración de CO2 las CAC se clasifican en tres grupos: Post-combustión, Pre-combustión y Oxicombustión, siendo esta última tecnología a la que hace referencia este trabajo., La oxicombustión consiste en quemar el combustible, en este caso carbón, utilizando una mezcla de oxígeno puro y gas recirculado (principalmente compuesto por CO2 y vapor de H2O) proveniente de la salida del combustor. De esta manera, al no introducir aire al combustor se elimina la presencia de N2 en la corriente de salida, obteniendo finalmente una corriente altamente concentrada en CO2 y lista para su posterior transporte y confinamiento., Durante la oxicombustión del carbón, además de la generación de CO2, también hay que tener en cuenta la formación de otros gases contaminantes, tales como el SO2 y NOx, que si son emitidos a la atmósfera son causantes de la formación de lluvia ácida y en los procesos de CAC originan serios problemas de operación como consecuencia de su contribución a la corrosión de los materiales de la instalación y durante la etapa de presurización y bombeo en las líneas de transporte., En las centrales térmicas, los dos tipos de calderas en donde se puede llevar a cabo el proceso de la oxicombustión de carbón son las calderas de carbón pulverizado y de lecho fluidizado circulante. Actualmente, las que se encuentran en un mayor estado de madurez son las calderas de carbón pulverizado, aunque en los últimos años las calderas de lecho fluidizado han comenzado a ser una buena alternativa ya que, entre otras muchas ventajas, permiten alimentar sorbentes cálcicos directamente al lecho para llevar a cabo in situ el proceso de retención del SO2 generado durante la combustión del carbón, siendo este tema el principal objeto de estudio en este trabajo.

Tesis doctoral presentada en el Departamento de Energía de la Universidad de Oviedo, 2014, [EN] Coal will continue to be one of the main energy resources for electricity generation in the future. However, coal combustion gives rise to CO2 which is a greenhouse gas and the main source of climate change. One alternative for the reduction of CO2 emissions is to replace part of the coal by biomass, whose emissions are considered neutral. However, to achieve any substantial reduction in CO2 emissions, additional measures must be taken, such as CO2 capture and storage technologies including oxy-fuel combustion. When fuel is burned in a mixture of pure O2 and recycled exhaust gases (i.e., in absence of N2) a highly concentrated stream of CO2 is produced, which after the purification process, can be transported to a place of storage. Oxy-combustion technology is at present in the demonstration phase. However, its economic viability will depend not only on technological advances but also on environmental policies. The performance of a wide range of coals and several biomasses under oxy-fuel combustion conditions has been studied. The replacement of N2 by CO2 and the higher O2 concentrations in oxy-fuel combustion atmospheres entails several changes in coal and biomass combustion that must be addressed in order to maintain stability and combustion efficiency. Various experimental devices have been used including a thermogravimetric analyzer, a drop tube furnace and an entrained flow reactor. Ignition and combustion under different oxy-fuel combustion conditions, and under air as reference, have been studied using these devices. Single coal and biomass particle combustion was studied in the drop tube furnace. Experiments were carried out under different oxy-fuel and air atmospheres. Measurements with a pyrometer were also carried out in the same furnace in order to obtain temperature profiles during the combustion of different single coal and biomass particles samples. In order to reproduce some of the conditions that are present in a pulverised coal fired power station, an entrained flow reactor was employed. Coal devolatilization at 1000 ºC, under N2 and CO2 atmospheres, was conducted in the entrained flow reactor. In order to study the effect of the devolatilization atmosphere (CO2, N2), the morphological characteristics of the chars were compared and their reactivity was analyzed. The reactive behaviour of the chars was studied by means of isothermal and non-isothermal reactivity experiments in an oxy-fuel atmosphere using a thermogravimetric analyser. Different kinetic models were applied to predict the reactivity of these fuels. Coal char and biomass char blends were analyzed in order to detect possible interactions during the combustion of the blends. Coal and biomass blend ignition tests were conducted in the entrained flow reactor under air and various oxy-fuel conditions at 1000 °C. Different oxy-fuel atmospheres were employed. Both oxy-fuel combustion with dry recycling (O2/CO2, 21-35%O2) and oxy-fuel combustion with wet recycling using up to 10 and 20% of H2O were simulated. The effect of biomass addition and the combustion atmosphere on the ignition temperature was evaluated. Co-firing experiments under oxy-fuel conditions were carried out in the thermogravimetric analyzer and in the entrained flow reactor. The coal and its blend with biomass were subjected to combustion experiments in the entrained flow reactor to evaluate the effect of the combustion atmospheres on coal burnout and NO emissions under oxy-fuel and air combustion.

72 páginas.-- Proyecto fin de carrera presentado para la obtención del título de Ingeniero Químico en la Universidad de Zaragoza., Las emisiones antropogénicas de gases de efecto invernadero (G. E. I.), como el CO2 o el vapor de agua, están provocando un agravamiento importante del calentamiento global del planeta. Por ello, las tecnologías de control de las emisiones de CO2 mediante su captura y almacenamiento han despertado un gran interés investigador. Entre ellas, la oxicombustión es una de las alternativas más prometedoras, encontrándose en fase de demostración. Sin embargo el proceso presenta una serie de incertidumbres de tipo operacional cuando se pretende aplicar a entornos y combustibles diferentes, como es la co-combustión de carbón con biomasa con posterior captura, única opción para obtener emisiones negativas (BIO-CCS). Este proyecto se encuentra enmarcado en el ámbito del Plan Nacional de Investigación Científica; en concreto corresponde al proyecto OXICEN, que se centra en caracterizar los procesos de ensuciamiento por deposición de cenizas y corrosión de los tubos en condiciones de oxicombustión de lecho fluido. El objetivo principal es, por tanto, el estudio de las interacciones entre los componentes de la materia mineral del carbón y la biomasa en condiciones de oxicombustión, además de determinar la incidencia de la corrosión de estas sales sobre las superficies metálicas de los sobrecalentadores en una instalación. Con ello, se trata de caracterizar de forma precisa los fenómenos por un lado, y de comparar esa caracterización con las condiciones que pueden llegar a producirse en una instalación real. A lo largo del presente proyecto se han aplicado diferentes tratamientos de oxidación (oxidación convencional y oxidación activa por ataque con KCl) sobre cinco aceros y dos aleaciones, fijando unas condiciones de operación próximas a las de una instalación de oxicombustión. Tanto el grado de oxidación como la composición de las capas oxidadas han sido estudiados utilizando diversas técnicas de caracterización como difracción de rayos X (XRD), microscopía electrónica de barrido (SEM) y espectroscopía de rayos X (EDX). Con objeto de simular el ataque de los depósitos alcalinos corrosivos sobre las superficies oxidadas se ha estudiado la reacción del pirosulfato potásico (K2S2O7) con los óxidos metálicos comunes en la zona de los sobrecalentadores (Fe2O3, Cr2O3, NiO), mediante una serie de experimentos en termogravimetría simultaneada con calorimetría diferencial (TGA-DSC) de pellets preparados con sus mezclas, y caracterización posterior por XRD y SEM-EDX. Por último, se simuló el riesgo químico por corrosión en los entornos reales para los metales que mostraron mejor comportamiento en los tratamientos anteriores. Como conclusiones más importantes, se ha comprobado que la atmósfera de combustión de CO2+O2 no conlleva una influencia significativa sobre las capas de óxido generadas comparándola con combustión convencional (Ar+O2). Sin embargo, la presencia de K2S2O7, que se genera en el caso de oxicombustión de carbón con biomasa, sí que supone un riesgo químico de corrosión en caliente de tipo ácido, que puede llegar a comprometer la resistencia de materiales altamente aleados. A partir de los resultados obtenidos, se propone la aleación I800 como la más resistente a los riesgos químicos por ensuciamiento o fouling en las condiciones estudiadas de simulación de co-combustión de antracita con biomasa de residuo de maíz en oxicombustión en lecho fluidizado con recirculación de CO2.

[EN] Oxy-firing of solid fuels is one of the most relevant technological alternatives aiming at the CO2 capture in large-scale power plants. If oxy-firing is carried out in a fluidized bed reactor, the possibilities for application are extended to low-rank coals, difficult wastes, or biomass. The oxy-co-combustion of coal and biomass in circulating fluidized bed (CFB) reactors would result in a negative balance for the CO2 emissions. Several on-going national and international initiatives are focused in the research of oxyfuel- related issues, covering lab-scale plants, pilot plants and semicommercial units for pulverized fuel combustion. In particular, the field of ash fouling and corrosion under oxy-cofiring in fluidized beds remains almost completely open. Although there are available works in relation to the control of deposition rates in fluidized bed units, especially when biomass is the fuel, they have been developed under conventional combustion with air but not for the particular conditions occurring with CFB oxy-firing. The aim of the present work is to introduce an overview about the chemical challenges that oxycofiring implies over metal exchanger surfaces as well as over low-cement ceramic protection of combustor sidewalls, for a future commercial application of the technology., [ES] La oxicombustión de combustibles sólidos es una de las alternativas tecnológicas más relevantes destinadas a conseguir la captura de CO2 en grandes plantas de generación. Si el proceso de oxicombustión se lleva a cabo en un reactor de lecho fluido, las posibilidades de aplicación se amplían a combustibles de bajo rango o residuos difícilmente aprovechables en condiciones de combustión en polvo, con la ventaja añadida del control de otras emisiones gaseosas (NOx, SOx). Y si adicionalmente se añade biomasa residual como parte de la mezcla aportada al reactor, el balance de emisiones de CO2 puede llegar a ser negativo. En la actualidad existen diferentes iniciativas tanto nacionales como internacionales de investigación en el campo de la oxicombustión, a pequeña escala de laboratorio, en plantas piloto y en tamaños semicomerciales, pero preferentemente centradas en sistemas de combustible pulverizado. También se desarrolla investigación en instalaciones de oxicombustión en lecho fluido, y dentro de ellos la caracterización de los procesos de ensuciamiento y corrosión asociados a la deposición de cenizas es un tema completamente novedoso. Este aspecto si que ha sido tratado ampliamente cuando se utiliza biomasa como combustible, la investigación se ha desarrollado convencionalmente para combustión con aire y no para las condiciones especiales de oxicombustión. La presente contribución pretende ofrecer una visión general y divulgativa sobre el estudio de los retos químicos que los materiales estructurales de las calderas han de sufrir en la futura aplicación comercial de la tecnología de oxicombustión de carbón y biomasa., Este trabajo ha sido financiado por el Ministerio de Economía y Competitividad (Proyectos ENE2012-39114-C02-01 y -02).

247 páginas.--Lectura 2013-12-18.--Calificación Sobresaliente "cum laude", De entre las diferentes tecnologías de captura de CO2, la oxicombustión en lecho fluidizado (LF), tanto burbujeante como circulante, se presenta como uno de los procesos más adecuados para la combustión de carbones, especialmente con altos contenidos en azufre y cenizas como es el caso de los carbones existentes en la zona de Teruel, ya que presentan la ventaja de poder alimentar sorbentes cálcicos (calizas o dolomitas) a la caldera para la retención “in situ” del SO2 generado en la combustión del carbón. El objetivo principal de este trabajo ha sido determinar la temperatura óptima de operación de los lechos fluidizados, operando en condiciones de oxicombustión, para maximizar la retención del SO2 generado en la combustión de diferentes carbones mediante la alimentación de sorbentes cálcicos. Para ello, se han analizado las propiedades de los materiales utilizados en el proceso (carbones y sorbentes cálcicos), se han analizado sus posibles mecanismos de reacción y se ha diseñado una instalación de LF burbujeante para su operación en continuo en condiciones de oxicombustión. Los carbones utilizados han sido un lignito con alto contenido en azufre de la zona de Teruel y una antracita de la zona del Bierzo (León). Los sorbentes cálcicos utilizados para la retención del SO2 han sido tres calizas y una dolomita. Para la caracterización de los sorbentes cálcicos se han utilizado dos instalaciones experimentales diferentes, una termobalanza y un lecho fijo. La termobalanza ha permitido conocer aspectos relevantes de la reacción de sulfatación sólido-gas a nivel de partícula y la capacidad de retención de SO2 de los sorbentes cálcicos a largos tiempos de reacción (>20h). El lecho fijo ha permitido conocer con más detalle los primeros minutos de la reacción de sulfatación y obtener las curvas de ruptura respecto de la retención de SO2. En ambas instalaciones se ha estudiado cómo afectan a la reacción de sulfatación la temperatura, las concentraciones de CO2 y SO2 y el tamaño de partícula del sorbente. A partir de los resultados obtenidos en termobalanza, se han determinado los parámetros cinéticos de la reacción de sulfatación de las calizas cuando ésta está controlada por la difusión de SO2 a través de la capa de producto. Finalmente, se ha llevado a cabo la experimentación en una planta piloto de lecho fluidizado burbujeante de 3 kWt con alimentación en continuo de carbón y sorbente para la retención del SO2 generado. En esta instalación se ha operado durante más de 400 horas y se ha analizado el efecto de la temperatura de trabajo, la proporción de O2/CO2 alimentado como comburente, el tipo de sorbente utilizado para la desulfuración, el tipo de carbón utilizado como combustible, la relación molar Ca/S, el tiempo de residencia de los sólidos en el lecho y la recirculación del SO2 de la corriente de salida, sobre el proceso de retención de SO2 durante la oxicombustión de carbones con alimentación de sorbentes cálcicos. El estudio realizado sobre el proceso de sulfatación de los sorbentes cálcicos ha dado resultados novedosos y ha permitido determinar que la temperatura óptima de operación de los lechos fluidizados operando en condiciones de oxicombustión, desde el punto de vista de la retención del SO2 generado en la combustión, es de 900-925 ºC., Este trabajo ha sido realizado en el marco del proyecto del Plan Nacional de I+D+I (CTQ2008-05399/PPQ). Los resultados mostrados en este trabajo han contribuido a la realización de las siguientes publicaciones y a la participación en los siguientes congresos

Como parte de las estrategias en la lucha contra el cambio climático y el reto que supone para la industria siderúrgica mejorar la eficiencia energética en la producción de acero y por tanto en la reducción de emisiones de CO2, se ha propuesto la integración de una planta siderúrgica con un sistema de captura de CO2 y una central de potencia. El objetivo de este TFM ha sido el desarrollo de una simulación de una industria siderúrgica, a nivel energético como másico. Seguidamente de un estudio de viabilidad de integración con una central de potencia para finalmente estudiar la integración con el sistema de captura de CO2. Para el estudio de la integración de los diferentes componentes se han simulado los balances de masa y de energía de la industria siderúrgica, atendiendo al comportamiento de cada componente interno según las mejores tecnologías disponibles actualmente. Todo ello seguido de un estudio del potencial inherente a la industria siderúrgica para una auto-captura de CO2. A la vista de los resultados obtenidos, el autor y director se decantan por la elección de un sistema CCS de solvente químico con aminas. De esta manera la integración energética y de captura permite la reducción de las emisiones de CO2 del orden del 90% con una producción eléctrica adecuada al régimen de funcionamiento de la planta siderúrgica. Para la producción eléctrica se ha escogido un ciclo combinado con turbina de gas en cabecera que aprovecha los gases energéticos de la siderurgia, con un ciclo de vapor en cola con una extracción de vapor para el sistema CCS. El sistema CCS es un ciclo de aminas de configuración básica (absorbedor-regenerador) con compresión de CO2. Por último se ha realizado un análisis económico así como de sensibilidad. Para ello se ha introducido el concepto de ‘emisiones evitadas’ estudiando las emisiones en cada una de las plantas por separado antes y después de la integración del sistema CCS. Los resultados preliminares son los suficientemente óptimos como para seguir investigando en este sector del campo de CCS.

En la presente tesis se presentan dos modelos desarrollados para un horno rotatorio de cemento operado bajo los procesos de combustión de carbón con aire y oxicombustión. El primer modelo fue desarrollado mediante herramientas de dinámica de fluidos computacional (CFD) y permitió evaluar la energía aportada hacia la carga, logrando una caracterización de la intensidad de radiación de los gases y partículas de carbón en cada uno de los procesos. El segundo modelo, desarrollado como complemento del primero y con el que se obtuvo información detallada de la transformación de la carga mediante el proceso de descarbonatación, fue incorporado en el software FORTRAN® y resuelto mediante el método de Gear. Los resultados de las simulaciones muestran las bondades que la tecnología de oxicombustión brinda al proceso productivo del cemento cuando parte de los gases de combustión son recirculados. La longitud de las llamas se acortan y el aporte de energía se aumenta favoreciendo el proceso productivo. Es prudente seguir investigando en esta tecnología con el fin de mejorar y refinar aspectos técnicos que permitan reducir costos de capital y hagan atractiva a la industria la inversión./Abstract. In the present thesis two models were developed for a Cement Rotary Kiln, operated by coal combustion with air and oxy-fuel combustion. The first model was developed through Computational Fluid Dynamics (CFD) tools and it allows to evaluate energy contribution provided to charge in order to achieve gases and coal particles radiation intensity in each process. The second model was developed as complement of the first one and it was used to obtain detail information about charge conversion through decarbonation process then, it was incorporated in FORTRAN® and solved with Gear’s Method [1]. Simulation results show the benefits that oxy-fuel technology with flue gas recirculation could provide in cement industry. In this process a flame densest due to its short length is obtained. This high energy density encourages the production process. In order to make the oxy-fuel process more attractive to the investment industry, is prudent to continue research in this technology to improve and refine the technical aspects that allow reduction of capital costs. Maestría

La combustión de hidrocarburos lleva asociada una serie de problemas medioambientales, entre los que destacan la emisión de materia particulada (tipo hollín) y de óxidos de nitrógeno. La aplicación de técnicas de recirculación de flujo de gas en los procesos de combustión implica la interacción de diferentes contaminantes presentes en los gases de salida, pudiendo dar lugar a su reducción. El objeto de este proyecto es analizar el efecto de la presencia de diferentes óxidos de nitrógeno sobre la cantidad de hollín formado en la pirólisis de etileno. Se han realizado experimentos con diferentes concentraciones de los óxidos de nitrógeno (NO, N2O, NO2), desde 500 a 12.000 ppm, en condiciones controladas de presión y temperatura, en un reactor tubular de cuarzo, y en el intervalo de temperaturas de 700 a 1.200 ºC. El hollín producido ha sido cuantificado mediante pesada y se ha analizado la composición de los gases de salida. Los resultados experimentales se han simulado con el software CHEMKIM, utilizando mecanismos cinéticos en fase gas procedentes de bibliografía, con el proposito de identificar los principales caminos de reacción involucrados en el proceso. Los resultados obtenidos muestran que la presencia de óxidos de nitrógeno influye en la cantidad de hollín formada en la pirólisis de etileno, obteniéndose diferentes resultados en función del óxido de nitrógeno presente durante la reacción, la concentración inicial del mismo y la temperatura. En determinadas condiciones experimentales, se ha observado una reducción tanto de la cantidad de hollín formada como de la concentración de los óxidos de nitrógeno a la salida del reactor. Los resultados teóricos obtenidos a partir de las simulaciones de los experimentos mediante los mecánismos obtenidos de bibliografía, se ajustan a los resultados experimentales obtenidos, permitiendo identificar los principales caminos de reacción involucrados en el proceso de reacción. Se ha encontrado que las principales responsables de la reducción de la cantidad de hollín formada en la pirólisis de etileno son las reacciones de formación de HCN y CO a partir de la interacción de etileno con los óxidos de nitrógeno NO y NO2.

En este proyecto se analiza la transferencia de calor en la zona convectiva de una caldera que opera en modo oxi-combustión y los factores que influyen en dicha transferencia. Para ello, se va a describir este modo de combustión y a comparar con el modo de combustión tradicional, esto es, con aire. Cada modo de combustión produce unos gases de salida con una composición distinta, lo cual hace que estos tengan diferentes propiedades termodinámicas que pueden afectar a la transferencia de calor en la zona convectiva de la caldera. Para comparar cada caso, se va a utilizar un modelo de fluidodinámica computacional desarrollado por el Grupo de Fluidodinámica Numérica (GFN) de la universidad de Zaragoza, con el que se simulará la zona convectiva de una caldera experimental. Esta caldera forma parte de la Fundación de la Ciudad de la Energía (CIUDEN), situada en la provincia de León, y puede operar en los dos modos, esto es, aire y oxi-combustión.

Este proyecto se relaciona con la investigación de un mecanismo de reducción de emisiones de CO2 en centrales térmicas de generación de energía. Concretamente se estudia el proceso de la oxicombustión en un lecho fluido en régimen circulante. Se trata de diseñar una nueva planta piloto con las características citadas, que sustituya a la instalación existente en el CEEI, Centro Europeo de Empresas e Innovación, basada en un lecho fluido burbujeante. Concluido el diseño de un modelo de simulación del lecho, se procede a la aplicación del mismo para dimensionar los equipos de la nueva planta experimental. Con el objetivo de reducir los costes económicos, se trata de aprovechar al máximo los equipos existentes. Básicamente se trata de reutilizar los sistemas de alimentación de combustible y gases. Para la realización del modelo de simulación, se han planteado las ecuaciones de la fluidodinámica, de la combustión y de los balances energéticos característicos de un lecho fluido circulante, basadas en una amplia bibliografía. Para ello, se ha empleado el software EES. Debido a la complejidad del estudio, se han realizado varias hipótesis simplificadoras que dan un resultado aproximado. Este modelo realiza una previsión del comportamiento del lecho bajo unos determinados parámetros impuestos. El análisis de los resultados obtenidos bajo distintas condiciones de funcionamiento de la planta permite obtener conclusiones previas a la realización de ensayos en la misma. A su vez, permite evaluar la influencia de diversos parámetros en el proceso de oxicombustión y obtener información para el pre-diseño de los distintos equipos de la instalación. En la adaptación y transformación de la planta existente en un nuevo laboratorio de oxicombustión en lecho fluido circulante, se pretende aprovechar al máximo la instrumentación y los equipos existentes en el laboratorio. Por ello, en el pre-diseño de los nuevos equipos auxiliares de tiene en cuenta los límites técnicos de los existentes, para evaluar su viabilidad técnica y posibilidad de reutilización. En último lugar, la selección del tamaño del nuevo reactor es una decisión técnico-económica, que cumple dos objetivos. Por un lado, el tamaño es suficientemente grande para que los resultados sean representativos y se pueda aprovechar al máximo los equipos existentes. Y por otro, el tamaño no es excesivamente grande para no incurrir en elevados gastos de consumo de combustible y botellas de gases.

El CO2 es el gas que más contribuye al Cambio Climático. La oxi-combustión es una tecnología de captura de CO2 muy prometedora, y en ella el combustible se quema con O2 puro en lugar de utilizar aire, junto con parte de los gases de salida que se recirculan para diluir el O2 y controlar la temperatura de la caldera. De esta forma, a la salida se tendrá una corriente muy concentrada en CO2 que puede ser capturado, almacenado o utilizado directamente. En el gas de salida, también pueden aparecer algunos contaminantes, como el SO2 o los NOx entre otros, que si son recirculados, pueden afectar en gran medida al proceso de combustión. En este contexto, el objetivo de este trabajo es el estudio de la influencia del SO2 en el proceso de oxidación de CO en condiciones de oxi-combustión. Los experimentos se realizan en un reactor de flujo pistón a escala de laboratorio. Se pretende estudiar el efecto de la presencia de SO2 analizando la influencia de las variables más importantes del proceso como la temperatura, la estequiometría y las concentraciones de CO2, SO2, CO y NO. Algunos de los experimentos más relevantes se realizan diluidos en N2 en lugar de CO2 para analizar la influencia de la atmósfera de reacción. Los experimentos se simulan utilizando un modelo de reactor de flujo pistón con el software de cinética química Chemkin-Pro. Se utiliza un mecanismo de reacción desarrollado por el propio grupo de investigación, obteniendo una buena correspondencia entre los resultados experimentales y las predicciones del modelo cinético en todos los casos. Se detecta una importante inhibición de la oxidación de CO en atmósfera de CO2 en comparación con el caso de N2, por la competencia entre el CO2 y O2 por radicales H. El efecto inhibidor del CO2 es mayor cuanto mayor es su concentración. A mayor concentración de CO, mayor porcentaje de conversión del mismo para una temperatura dada. El NO en cualquier concentración inhibe la reacción de oxidación en ausencia de SO2, y su efecto inhibidor es mayor cuanto mayor es su concentración. En presencia de SO2, el NO en bajas concentraciones favorece la reacción, mientras que la inhibe con mayores concentraciones. El efecto inhibidor del SO2 en atmósfera de CO2 se debe a que favorece los mecanismos de recombinación de radicales. En condiciones reductoras, la eliminación de radicales se rige por la interconversión: SO2 → HOSO → SO2. El efecto inhibidor del SO2 es menor en atmósfera de CO2 que en N2 a estas estequiometrías. Sin embargo cuando se dan condiciones pobres en combustible, su efecto parece ser similar en ambas atmósferas, con independencia de la concentración de CO2, debido a la importancia cada vez mayor de la reacción de recombinación SO2+O para dar SO3. Se produce una mayor inhibición de la oxidación de CO con un aumento en la concentración de SO2, aunque las diferencias disminuyen a medida que los niveles de concentración de SO2 aumentan. En presencia de NO, el efecto inhibidor del SO2 queda casi anulado.

Este proyecto se fundamenta en el proceso de estudio y control automático de la recirculación de gases de escape en un lecho fluido burbujeante bajo condiciones de oxicombustión. La planta piloto de estudio se sitúa en las instalaciones del CEEI, Centro Europeo de Empresas e Innovación y ha sido diseñada y puesta en marcha por el Centro de Investigación de Recursos y Consumos Energéticos. Concluida la caracterización de la recirculación de gases se procede a la aplicación de la técnica en la planta experimental, lo que supone una considerable reducción de los costes de operación, asemeja su operación a una planta a gran escala y elimina problemas relativos al consumo de botellas. Para el estudio de la recirculación, se han simulado los balances másicos involucrados en el lecho fluido de la planta experimental mediante el desarrollo de programas de simulación con el software MATLAB®. Debido a la complejidad del estudio teórico de las emisiones de diversos gases como CO, NOx y SO2, se han desarrollado distintas correlaciones empíricas a partir de datos tomados de pruebas de oxicombustión. Este software informático realiza una previsión de las emisiones y flujos que tienen lugar en el lecho fluido bajo unos determinados parámetros impuestos por el usuario además de indicar cómo se debe actuar en la planta para recircular según las condiciones deseadas. El análisis de los resultados teóricos obtenidos del software informático permite evaluar la influencia de diversos parámetros en el proceso y obtener conclusiones respecto a temas de gran interés en oxicombustión, como la condensación del vapor de agua de los gases recirculados y el problema de las infiltraciones. Con el objetivo de facilitar la aplicación de la técnica de recirculación en la planta piloto se ha llevado a cabo un control automático de la recirculación. Para el diseño y ajuste del controlador se ha simulado el comportamiento del proceso mediante la herramienta Simulink de MATLAB®. La programación del controlador automático diseñado se ha ejecutado mediante el software Unity Pro®. Finalmente, se ha comprobado la correcta actuación del lazo de control implementado mediante pruebas en frío en la planta de oxicombustión. En último lugar, se aplica la recirculación de gases de escape en caliente, lo que supone ser el segundo reactor de lecho fluido en el mundo que recircula los gases de salida bajo condiciones de oxicombustión. La aplicación de la recirculación ha servido para verificar su correcto funcionamiento.

La emisión a la atmósfera de gases contaminantes procedentes de la combustión de combustibles fósiles como el carbón para la obtención de energía puede causar diferentes problemas medioambientales. Entre ellos destaca el efecto invernadero y la lluvia ácida, cuyos principales contribuyentes son el CO2 y el SO2, respectivamente. En la actualidad, se están desarrollando nuevas tecnologías para la captura del CO2 cuya finalidad es obtener a la salida del proceso una corriente de gases con elevada concentración de CO2 para su posterior almacenamiento, evitando así su emisión a la atmósfera. Es dentro de este contexto en donde se encuentra la técnica de oxicombustión. La oxicombustión es una variación de la combustión convencional con aire. En este proceso, el combustible se quema con oxígeno puro diluido con gas recirculado (30% O2 a la entrada de la caldera), produciendo una corriente de gases a la salida del combustor con concentraciones elevadas de CO2, de hasta el 95%, lo que facilita notablemente la captura del CO2. Los combustores de lecho fluidizado (LF) son muy apropiados para este sistema de combustión, ya que además permiten la desulfuración de los gases de combustión en el propio combustor mediante la alimentación de sorbentes cálcicos. Dependiendo de las condiciones de operación del combustor (presión parcial de CO2 y temperatura), el sorbente cálcico se comporta de manera diferente. La reacción de sulfatación puede llevarse a cabo por dos vías: sulfatación directa del sorbente en condiciones no calcinantes o sulfatación del sorbente calcinado en condiciones calcinantes. Condiciones calcinantes: CaCO3 CaO + CO2 CaO + SO2 + ½ O2 CaSO4 + CO2 Condiciones no calcinantes: CaCO3 + SO2 + ½ O2 CaSO4 + CO2 El objetivo de este trabajo consiste en estudiar en profundidad estas vías de retención de SO2 con sorbentes cálcicos con el fin de optimizar la temperatura de trabajo de los combustores de LF operando en condiciones de oxicombustión. La estructura porosa del sorbente tiene una gran influencia en el proceso de sulfatación, por lo que se ha analizado su efecto utilizando diferentes sorbentes cálcicos: dos calizas, “Brecal” y “Granicarb”, de la comarca de EL Bierzo (León) y de la cuenca de Teruel respectivamente, y una dolomita procedente de la Sierra de Arcos (Teruel). Se ha realizado un estudio detallado en termobalanza de la reacción de calcinación mediante rampas de temperatura hasta 950ºC a diferentes concentraciones de CO2. El efecto de las condiciones de operación sobre el proceso de retención de SO2 (temperatura, concentración de CO2, concentración de SO2 y tamaño de partícula) se ha estudiado en una planta de LF discontinuo inyectando instantáneamente cargas de sorbente al reactor en donde se ha observado que el proceso de sulfatación se realiza en dos etapas: la primera está controlada por la reacción química hasta que se taponan los poros, y la segunda por difusión a través de la capa de producto que se va formando alrededor de la partícula. Además, se ha analizado el efecto de la temperatura de operación en una planta de LF con alimentación continua de carbón y sorbente operando tanto en condiciones de combustión con aire enriquecido como en condiciones de oxicombustión. Se ha observado que existe un óptimo de temperatura para la retención de SO2.

La necesidad de encontrar un sistema para mejorar la gestionabilidad del recurso eólico, especialmente en países donde hay una penetración importante de este tipo de generación eléctrica, está impulsando el desarrollo de las tecnologías del H2 entre otras. HyRobres es un ejemplo de ello: una planta conectada a un parque eólico que produce H2, mediante electrólisis del agua, durante los periodos de baja demanda y que genera electricidad con este vector durante los periodos de mayor consumo energético. Previo a este proyecto, no había previsión de darle utilidad al O2 acompañante obtenido con el H2. Es por ello por lo que se han estudiado técnica y económicamente distintas alternativas: gasificación de biomasa con aire enriquecido, oxicombustión con captura de CO2 y venta de O2 medicinal. Los resultados muestran que las opciones más viables desde un punto de vista económico son la venta de O2 y la gasificación de biomasa con agente gasificante variable, es decir, periodos con aire enriquecido y otros con aire convencional, lo que permitiría investigar acerca del comportamiento del proceso además de generar beneficios manteniendo el carácter innovador de la planta. Sin embargo, la opción de oxicombustión se muestra como la que mayor potencial investigador posee, con la posibilidad de realizar proyectos conjuntos con entidades como CIRCE o el Instituto de Carboquímica de Zaragoza y reduciendo uno de los principales costes de la investigación en este campo como es el uso del O2

El objetivo de este proyecto es el estudio de la reactividad de distintos tipos de hollín con CO2. Para ello, en primer lugar, se ha realizado un estudio bibliográfico sobre la reactividad de diferentes materiales carbonosos con dióxido de carbono y la reactividad del hollín con distintos gases. En el laboratorio se han formado dos tipos de hollines a partir de la pirólisis de etileno en atmósfera de nitrógeno y en atmósfera de dióxido de carbono respectivamente, y se han comparado sus características y reactividad con las de un hollín comercial, el Printex-U. Una vez formados los hollines, éstos se han purificado y caracterizado por medio de diversas técnicas: análisis elemental, análisis de la superficie específica BET (Brunauer-Emmett-Teller) con N2 a 77 K, SEM (Microscopía electrónica de barrido), TEM (Microscopía Electrónica de Transmisión), y espectroscopía RAMAN. Los tres tipos de hollín se han sometido a experimentos de reactividad con CO2 bajo distintas condiciones. Por un lado de han llevado a cabo experimentos con distintas concentraciones de entrada de CO2 en el reactor (0 %, 25 %, 50 %, 75 % y 100 %) a la temperatura de formación de los hollines (1000ºC en el caso del Printex-U y 1100ºC para los hollines formados en el laboratorio). Por otro lado, se han realizado experimentos con una concentración fija de CO2 del 75 % a la entrada del reactor y diferentes temperaturas operando en el intervalo de 1000ºC a 1200ºC. Durante la realización de los experimentos se han tomado datos de la concentración de CO a la salida del reactor y utilizando el Modelo de Núcleo Decreciente con control de la reacción química para reacciones sólido-gas se han obtenido los órdenes de reacción y la energía de activación para cada tipo de hollín. Tras este estudio se ha llegado a la conclusión de que el hollín más reactivo es el Printex-U y de que el tipo de atmósfera en la que el hollín se forma influye en su reactividad con CO2. También se ha observado un aumento de la reactividad con la temperatura y con la concentración de CO2 a la entrada del reactor.

En el contexto energético y medioambiental actual, la captura y almacenamiento de CO2 surge como la única manera de seguir produciendo energía a partir de combustibles fósiles sin emitir CO2 a la atmósfera. Entre las distintas opciones de captura, la oxi-combustión es una buena opción debido a que en ella se produce una corriente del 95-98% de CO2. En esta técnica, el combustible se quema con O2 puro en lugar de aire junto con parte de los gases de salida que se recirculan para diluir el oxígeno. Otros contaminantes producidos en los procesos de combustión como por ejemplo los NOx deberán ser eliminados y/o producidos en menor medida antes de que el CO2 sea capturado. El proceso de reburning es una técnica que ha sido empleada desde los años 90 para reducir la cantidad de NOx producidos en combustión tradicional con aire. Una etapa clave en el proceso es la oxidación de HCN y NH3 en presencia de NO en atmósfera de CO2, y dado que apenas existen estudios al respecto, el objetivo del presente PFM es estudiar la oxidación de HCN y NH3 en condiciones de oxi-combustión. El trabajo se ha realizado tanto experimentalmente como mediante simulación con un modelo cinético. El estudio experimental se ha llevado a cabo en un reactor de flujo pistón isotermo a presión atmosférica, estudiándose variables clave como temperatura (600-1.150 °C), concentración de oxígeno (250-3.500 ppm de O2), que representan valores de estequiometría entre ?= 0,2 y 2, y presencia y concentración de NO. Además, en el caso del NH3 se ha estudiado la influencia de la atmósfera (CO2-N2) debido a la ausencia de un estudio similar. Los resultados experimentales se han comparado con un modelo de cinética química utilizando el software de simulación CHEMKIN-PRO. Los resultados obtenidos indican que la oxidación de NH3 sin NO se ve desfavorecida en atmósfera de CO2 con respecto a atmósfera de N2 en todas las estequiometrías estudiadas. La influencia de la concentración de oxígeno es mayor en atmósfera de N2 que en CO2. La formación de NO está favorecida en atmósfera de N2 debido a la reacción N2 + H2O NO + NH2. La presencia de NO acelera la oxidación de NH3 en todas las concentraciones de oxígeno estudiadas. La mayor reducción de NO por NH3 se alcanza para condiciones oxidantes. La presencia de NO inhibe la oxidación de HCN hasta las temperaturas 1.050-1.150 °C para todas las estequiometrías estudiadas. A partir de dicha temperatura, la oxidación de HCN es independiente de la presencia de NO y se obtienen valores similares de conversión de HCN. La reducción de NO es mayor cuanto más oxidantes son las condiciones. En cuanto a la simulación de los experimentos, el modelo es capaz de predecir correctamente tanto la oxidación de HCN y la reducción de NO como la formación de N2O. Sin embargo, el modelo no es capaz de predecir correctamente la oxidación de NH3 en atmósfera de CO2 y/o N2 ni tampoco en ausencia y/o presencia de NO.

[ES]La combustión de carbón en centrales térmicas produce grandes cantidades de CO2 que contribuyen al efecto invernadero. Una de las opciones para reducir las emisiones de CO2 es quemar el carbón en atmósfera de O2/CO2 que elimina la necesidad de un paso posterior de depuración de CO2. En este estudio, se han realizado experimentos de combustión con dos carbones de distinto rango en un reactor de caída libre utilizando mezclas O2/N2 y O2/CO2 hasta una concentración del 21%. Se han seleccionado varias concentraciones de oxígeno con el fin de hacer un seguimiento tanto del proceso de combustión como del efecto del oxígeno en la desvolatilización del carbón., [EN]The combustion of coal in conventional power plants produces large amounts of CO2 which contributes to the greenhouse effect. One of the ways to approach the CO2 emmissions abatement is to burn the coal in a O2/CO2 atmosphere which eliminates the need of a separation step. In this study two coals of different rank (a high volatile bituminous and a low volatile bituminous) have been burned in a drop tube reactor using O2/N2 and O2/CO2 mixtures with increasing oxygen content from zero to 21%. Various oxygen concentrations have been selected for each set of experiments in order to follow both the progress of combustion and the influence of oxygen content in the devolatilisation behaviour of coal., Financiación de los proyectos “Hacia la combustión del carbón con emisiones cero de CO2 empleando tecnología oxy-fuel” del El Principado de Asturias y Endesa (PC03-04) y “Procesos avanzados de generación, captura y almacenamiento de CO2” del Ministerio de Educación y Ciencia (PSE2-2005).