Fabricación y caracterización de nuevos quemadores de gas de alta porosidad basados en fibras cerámicas

Resumen

En la presente tesis doctoral se han desarrollado diversas rutas de fabricación de quemadores de gas basados en fibras cerámicas y se han caracterizado sus propiedades de combustión. Una de las principales novedades es el uso de fibras de sílice de elevada pureza como alternativa a las de carburo de silicio empleadas en la actualidad. Esto supone una ventaja competitiva al reducirse de manera sustancial el coste de la materia prima. Para convertir estos materiales en quemadores funcionales ha sido necesario reducir la pérdida de carga asociada al menor diámetro promedio de estas fibras respecto a las de carburo de silicio, empleadas en la actualidad. El primer paso para la fabricación de estos quemadores ha sido el desarrollo de dos técnicas de conformado de las fibras en medio acuoso: la denominada “wet laid” (WL) para la obtención de formas planas (2D) y la de moldeo al vacío (“pulp moulding” PMD) para formas 3D. En ambos casos hay similitudes con procesos empleados en la industria papelera, aunque el tipo de fibras son muy distintas de la celulosa. Para ello, ha sido necesario dominar los procesos de dispersión, floculación y formación de capa tanto a escala de laboratorio como pre-industrial. Tras la fabricación de los sustratos porosos, el siguiente paso ha consistido en la mejora del rendimiento en la etapa de consolidación de los mismos mediante depósito químico en fase vapor (CVD-SiC). Partiendo de rendimientos del 4% se ha logrado llegar a valores del 11% reduciendo además la dispersión en pesos en torno al 50%. La aplicación de esta tecnología a los nuevos quemadores basados en fibras de sílice ha requerido adaptar los parámetros de proceso y diseñar nuevos soportes para facilitar la manipulación de los quemadores una vez consolidados. Los nuevos quemadores obtenidos a partir de fibras de sílice consolidados mediante CVD-SiC presentan menores niveles de emisión de NOx debido a su menor tendencia a entrar en modo radiante. En el rango de alta potencia, presentan también menor tendencia al despegue de llama. Entre los aspectos a mejorar está su mayor tendencia a la generación de ruido y su mayor fragilidad. En ambos casos se han conseguido soluciones optimizadas. La durabilidad de estos componentes es superior a la de los quemadores comerciales basados en carburo de silicio. Esto se debe a que la fibra ya es un óxido estable por lo que no se dan los cambios de volumen observados durante la oxidación del carburo de silicio. De este modo se reducen los fenómenos de agrietamiento observados durante el ciclado de los quemadores comerciales. Alternativamente, se ha investigado una nueva ruta para la consolidación de las preformas porosas mediante el uso de precusores cerámicos organometálicos (técnica PDC). Este proceso es mucho más simple y parte de materias primas menos peligrosas que el CVD-SiC (por ejemplo, MTS). Sin embargo, esta tecnología presenta aún problemas que dificultan su escalado industrial. El más importante es el control dimensional tras el tratamiento térmico empleado para la ceramización del precursor. Además, la resistencia mecánica es todavía inferior a la que se obtiene mediante CVD-SiC. En cualquier caso, es una línea de investigación activa, ya que los prototipos generados han soportado con éxito ciclados de combustión extrema durante 5000 h (equivalente a la vida aceptada para estos componentes en caldera)