Aplicación de técnicas de procesamiento de imagen digital al estudio y caracterización de llamas en quemadores de rotación

AutoresGonzalez Cencerrado, Ana
Año publicación2015
CategoríasBIOMASS,COMBUSTION,EFFICIENCY MEASURES,ENERGÍA,
CódigoCP-0957

 

Resumen

El trabajo realizado en esta tesis doctoral pretende contribuir al desarrollo de nuevos procedimientos de análisis basados en tecnologías de imagen digital para su aplicación en el diagnóstico y la monitorización de procesos de combustión. Uno de los pilares básicos en los que se fundamenta esta tesis es la acuciante necesidad de un nuevo planteamiento en la forma actual de generación de energía. En este escenario es fundamental el apoyo de las nuevas tecnologías que brindan la oportunidad de transformar los procesos de generación energética de cara a un mejor aprovechamiento de los recursos y un menor impacto ambiental. La consecución de estos objetivos pasa por analizar y caracterizar en detalle dichos procesos, estudiando los puntos mas críticos y permitiendo actuar de manera inmediata. El uso de los combustibles fósiles, concretamente el uso del carbón en centrales térmicas para generación eléctrica, va a seguir siendo necesario en los próximos años y, por tanto, la investigación en este campo debe dirigirse hacia la utilización eficiente de estos recursos y hacia la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero (GEI). Una de las soluciones planteadas para la reducción del impacto medioambiental de la generación eléctrica con carbón a corto plazo es el uso de la biomasa como fuente renovable, incorporándola al proceso junto con éste en centrales térmicas ya existentes, lo que se conoce como cocombustión. No obstante, la introducción de un nuevo combustible en la caldera puede interferir en el funcionamiento normal de la misma y generar inestabilidades e incluso pérdida de eficiencia del proceso. Las diferentes características analíticas y físicas que presenta la biomasa frente al carbón, llevan implícitas algunas de las ventajas que conlleva la cocombustión pero al mismo tiempo suponen alguno de los principales problemas de la implantación de esta tecnología.

Como consecuencia, el diagnóstico del proceso se hace fundamental si se quiere evitar una pérdida de eficiencia y mantener unos adecuados estándares de seguridad y control. Mediante el estudio llevado a cabo en esta tesis se contribuye al desarrollo de las tecnologías de imagen digital orientadas al control de procesos de combustión de sólidos en quemadores de rotación. El sistema utilizado está basado en una cámara CCD (Charged-coupled devices o dispositivos de carga acoplada) de pequeño tamaño y alta velocidad de adquisición específicamente adaptada para su instalación en caldera. La metodología desarrollada para el análisis de los videos se basa en el análisis espacial y temporal de las imágenes de la llama a través de un algoritmo que extrae y analiza toda la información contenida en ellas. Esta información se corresponde con la radiación luminosa emitida por la llama así como su régimen de fluctuación. El trabajo experimental realizado ha estado enfocado a la caracterización de llamas de carbón (bajo distintas condiciones de operación, incluyendo diferentes grados de rotación) y mezclas de carbón y biomasa (incorporando diferentes tipos de biomasa y distintos porcentajes de mezcla). No obstante el estudio se complementa con el análisis de una llama de propano de menor escala a la que se le aplica la misma metodología de análisis. El método propuesto, basado en imágenes digitales, incorpora la novedad de analizar la llama de forma espacial aplicando el método píxel a píxel y determinando de esa forma áreas con diferente régimen de radiación. El cálculo de la frecuencia media (flicker) a lo largo de todo el área de análisis ha sido aplicado por primera vez en el marco de esta tesis. Los resultados obtenidos han permitido caracterizar los ratios de oscilación de la llama analizando además como varían al cambiar ciertas condiciones de operación. En cada uno de los artículos que componen la tesis se han descrito las diferentes etapas del trabajo y los resultados obtenidos, que se organizan en función de los parámetros de operación analizados: ratio de aire primario-combustible (artículos I y II), grado de rotación (artículo III) y los diferentes combustibles (carbón y distintos tipos de biomasa (artículos I y IV)). La principal conclusión que se obtiene del trabajo presentado en esta tesis es la confirmación de que el sistema de visualización propuesto permite realizar un diagnóstico adecuado de una llama de rotación de combustible pulverizado, aportando datos espaciales y temporales relativos a su régimen de radiacion luminosa que contribuyen a caracterizar el proceso de combustión en este tipo de quemadores. Además se han identificado los parámetros estadísticos y espectrales mas representativos y que mayor información ofrecen de cara a su potencial como herramienta para la mejora del proceso.