Simulación del proceso de captura de CO2 mediante los ciclos de carbonatación/calcinación de CaO integrado en plantas de producción de energía

Martínez Berges, Isabel
Murillo Villuendas, Ramón (dir.) ; Abanades García, Juan Carlos (dir.) ; Grasa Adiego, Gemma (dir.)

Universidad de Zaragoza, 2014

Resumen: La tecnología de captura de CO2 basada en los ciclos de carbonatación/calcinación de CaO cuenta con un gran potencial de aplicación como tecnología emergente de captura de CO2 tanto en configuraciones de proceso en post-combustión aplicado a un gas de combustión, como en configuraciones en pre-combustión para generación de un gas rico en hidrógeno. Esta tecnología de captura de CO2 se basa en la reacción de un sorbente basado en CaO con el CO2 presente en una corriente gaseosa, y en la reacción inversa de calcinación del CaCO3 a mayor temperatura en una atmósfera concentrada en CO2. La principal ventaja de este proceso se basa en que prácticamente toda la energía introducida en el calcinador se recupera en la etapa de carbonatación y en forma de corrientes gaseosas y sólidas a alta temperatura. Debido a esta eficiente recuperación de energía, esta tecnología representa una de las opciones de captura de CO2 con mayor potencial de integración energética y de reducción de la penalización energética con respecto del proceso sin captura de CO2. Con el fin de evaluar este potencial, el principal objetivo de este trabajo ha sido analizar diversos procesos de conversión de energía (a electricidad, calor y/o hidrógeno) que integran un sistema de captura de CO2 basado en la reacción de carbonatación del CaO con el CO2, para conseguir una integración entre ambos sistemas que, bajo unas condiciones de operación razonables, reduzca al mínimo la penalización energética derivada de la captura de CO2. Concretamente, se han estudiado las configuraciones de este proceso como tecnología de captura de CO2 en post-combustión en centrales térmicas (CT) de carbón para producción de electricidad, y como tecnología de captura de CO2 en pre-combustión en procesos de producción de hidrógeno y/o electricidad mediante reformado de gas natural con vapor. En su aplicación como tecnología de captura de CO2 en post-combustión, una de las configuraciones más prometedoras en un corto/medio plazo es la implantación de este proceso de carbonatación/calcinación a CT existentes de carbón, debido a que la conexión con la CT existente se realiza fácilmente introduciendo el gas de combustión directamente en el carbonatador del sistema de captura de CO2, permaneciendo inalterado el funcionamiento de la CT existente. La resolución de un modelo de reactor de carbonatación integrado en un modelo de simulación global del proceso de captura de CO2 ha confirmado que es posible obtener eficacias de captura de CO2 entre 70 y 90 % bajo diferentes estrategias de operación. La eficiencia eléctrica neta obtenida es máxima operando el sistema de captura de CO2 con bajos aportes de sorbente fresco, ya que la alta circulación de sólido entre reactores en estos casos maximiza la producción de vapor para generación de electricidad en un nuevo ciclo de potencia. Penalizaciones energéticas en torno a 7.5-8.5 puntos porcentuales con respecto del sistema sin captura de CO2 han sido demostradas operando con bajos aportes de sorbente fresco (correspondientes a un valor de purga ~2 % del total de sólidos circulando desde el calcinador). Se ha planteado una configuración alternativa adecuada para una CT de carbón de nueva construcción que consiste en una mayor integración entre los componentes del sistema de captura de CO2 y la caldera de la CT, y que permite mejorar la eficiencia de producción eléctrica con respecto de la configuración anterior para CT existentes. En concreto, la configuración estudiada propone aportar la energía necesaria en el calcinador mediante la circulación de una corriente de sólidos calientes desde la caldera de la CT. Los resultados obtenidos de la simulación de este proceso han confirmado la menor penalización energética asociada a esta configuración, que ha resultado en torno a 7 puntos porcentuales de rendimiento operando con bajos aportes de sorbente fresco. En estas condiciones, se han obtenido eficacias de captura de CO2 en el carbonatador en torno al 90 %. A pesar de la eficiente recuperación de energía en el proceso de carbonatación/calcinación, uno de los objetivos prioritarios en este proceso es conseguir calcinar el CaCO3 formado a la menor temperatura posible para reducir el consumo de energía en el calcinador, y minimizar problemas derivados de la fusión de cenizas y/o de la desactivación del sorbente. En este trabajo se ha llevado a cabo la realización de una primera aproximación al modelado de un calcinador de lecho fluidizado de un sistema de carbonatación/calcinación para capturar CO2 con CaO, con el objetivo de determinar las condiciones de operación que permiten alcanzar eficacias de calcinación elevadas a temperaturas moderadas y tiempos de residencia razonables para este tipo de reactor. Incluyendo una cinética real de calcinación, determinada experimentalmente mediante análisis termogravimétrico, las predicciones del modelo apuntan que operando con un inventario de sólido en el rango de 800-1200 kg/m2 (equivalente a un tiempo de residencia del sólido de 2-3 min) y temperaturas en torno a 900-910ºC, es posible conseguir eficacias de calcinación superiores al 95 %, equivalentes a un contenido en CaCO3 inferior al 1 % (en moles) en la corriente de sólidos que abandona el calcinador. En su aplicación como tecnología de captura de CO2 en pre-combustión, se ha estudiado el proceso de reformado de gas natural con vapor con captura in situ de CO2 con CaO para producción de hidrógeno y/o electricidad (SER, acrónimo del inglés Sorption Enhanced Reforming). Este proceso propone introducir el sorbente basado en CaO en el reactor de reformado con el fin de mejorar la eficiencia de producción de hidrógeno, disminuir la complejidad del proceso y reducir los costes de producción de hidrógeno con respecto de la tecnología actual más extendida de producción de hidrógeno. Se ha desarrollado un modelo de simulación de una planta de producción de hidrógeno basada en este proceso SER con el fin de demostrar su potencial como tecnología de producción de hidrógeno, en el cual los reactores de reformado/carbonatación y de calcinación son dos reactores de lecho fluidizado conectados entre sí operando a presión cercana a la atmosférica. Se han obtenido producciones de hidrógeno de hasta 2.8 moles de H2 por mol de CH4 equivalente en el proceso SER, considerablemente más elevadas a las obtenidas mediante la tecnología convencional basada en el reformado catalítico de gas natural con vapor (~2.3 moles de H2 por mol de CH4 equivalente). Además, el consumo de gas natural ha resultado casi en un 20 % inferior al del proceso convencional a pesar de la energía consumida en la regeneración del CaCO3, y en una eficacia de captura de CO2 global cercana al 100 %, demostrando así las ventajas potenciales de este nuevo proceso. Se ha estudiado una configuración alternativa para este proceso SER que propone añadir un material de Cu al sistema con el fin de suministrar la energía necesaria en la calcinación del CaCO3 mediante la reducción exotérmica del CuO empleando CO, H2 ó CH4 como agentes reductores. Este nuevo proceso se lleva a cabo en un sistema de reactores de lecho fijo operando en paralelo, en el cual la presión y temperatura de los reactores se va modificando para favorecer las distintas etapas de producción de H2, oxidación del Cu y calcinación de CaCO3/reducción de CuO. Los resultados obtenidos de la simulación de esta nueva configuración del proceso SER han demostrado la posibilidad de alcanzar una producción global de 2.6 moles de H2 por mol de CH4 equivalente alimentado al proceso y una eficacia global de captura de CO2 del 94 %, que continúan siendo mejores que las del proceso convencional de producción de hidrógeno. La existencia de una etapa de producción de hidrógeno a alta presión en este último proceso basado en la combinación de los ciclos de Ca/Cu permitiría emplear el hidrógeno generado como combustible en la turbina de gas de un ciclo combinado de gas natural (CCGN) para producir electricidad con bajas emisiones de CO2. Se ha analizado y propuesto un posible diseño de una central de CCGN con captura de CO2 integrada con el proceso de producción de hidrógeno basado en los ciclos de Ca/Cu, con el fin de analizar la influencia de los principales parámetros de operación en el funcionamiento global de dicha central eléctrica. Se ha demostrado que el uso de un combustible rico en hidrógeno influye notablemente en la potencia eléctrica generada en la turbina de gas del ciclo combinado. Desde el punto de vista de la eficiencia eléctrica y de las emisiones de CO2, se han escogido unas condiciones de operación óptimas para el proceso basado en los ciclos de Ca/Cu que permiten obtener una eficiencia eléctrica neta cercana al 51 % con una eficacia global de captura de CO2 del 90 %, equivalente a unas emisiones específicas de 40 gCO2 emitidos/kWh. Comparado a otros procesos de producción de H2 integrados con un CCGN para producir electricidad con bajas emisiones de CO2, se demuestra el potencial que presenta este proceso de producción de hidrógeno como tecnología de captura de CO2 en pre-combustión en centrales de CCGN. Finalmente, se ha preparado y caracterizado un material de cobre adecuado para este proceso de producción de hidrógeno basado en los ciclos de Ca/Cu que cumple los principales requisitos necesarios en lo que respecta a contenido en cobre, reactividad y estabilidad química y mecánica con los ciclos de oxidación/reducción. Se ha estudiado la cinética de reducción de este material de Cu en condiciones de concentración y temperaturas típicas de la etapa de reducción/calcinación de este proceso, y se ha demostrado que el modelo cinético de núcleo decreciente predice adecuadamente el comportamiento de este material tanto en forma de pellet como en polvo. Los valores obtenidos para la energía de activación y el orden de la reacción se encuentran dentro del rango de los publicados en literatura para materiales con alto contenido en Cu.

Pal. clave: ciencias tecnológicas ; captura de co2 ; eficiencia energética

Área de conocimiento: Tecnología del medio ambiente

Departamento: Instituto de Investigación Mixto CIRCE

Nota: Presentado: 20 03 2014

Nota: Tesis-Univ. Zaragoza, Instituto de Investigación Mixto CIRCE, 2014