Chemical-looping combustion of coal usin ilmenite as oxygen-carrier (Combustión de carbón con captura de CO2 usando ilmenita como transportador de oxigeno)

Cuadrat Fernández, Ana
Adánez Elorza, Juan (dir.) ; Abad Secades, Alberto (dir.)

Universidad de Zaragoza, 2012
( )


Abstract: La combustión con transportadores sólidos de oxígeno o Chemical-Looping Combustion, (CLC) es una tecnología de combustión con captura inherente del gas de efecto invernadero CO2. Debido al bajo coste de captura de CO2 que posee es una tecnología prometedora para centrales térmicas de combustibles fósiles. En CLC el oxígeno del aire se transfiere al combustible con un transportador sólido de oxígeno que circula entre dos reactores de lecho fluidizado: el reactor de reducción y el de oxidación. Así se evita el contacto directo entre el aire y el combustible y se obtiene CO2 en una corriente separada del N2 del aire. En la aplicación de CLC para combustibles sólidos, el transportador oxida a los productos de la gasificación, la cual puede realizarse fuera o dentro del sistema CLC. El proceso en el cual la gasificación se produce dentro del reactor de reducción se denomina CLC con gasificación in-situ, iG-CLC. El transportador de oxígeno reducido se lleva al reactor de oxidación donde se re-oxida con aire, estando listo para un nuevo ciclo. La eficacia de captura de CO2 depende de la gasificación de residuo carbonoso o char. Este estudio se basa en el desarrollo y análisis de la viabilidad del proceso iG-CLC para combustibles sólidos usando ilmenita como transportador de oxígeno. La ilmenita, un mineral natural compuesto de FeTiO3, es un material de bajo coste y prometedor para su uso a gran escala en CLC. La eficacia de la ilmenita en la tecnología iG-CLC para combustibles sólidos se estudió a distintas escalas. Se analizó la reactividad de la ilmenita con CH4, H2 y CO como los principales productos de la desvolatilización y gasificación de carbón. Se realizaron experimentos bajo diferentes temperaturas y concentraciones de gas en condiciones bien definidas en termobalanza y en un reactor discontinuo de lecho fluidizado. Aunque inicialmente la ilmenita presenta una reactividad baja, se encontró que sufre un proceso de activación en su velocidad de reacción, cuyo valor final es adecuado para su uso en iG-CLC. Se estudiaron los cambios físicos y químicos de la ilmenita después de muchos ciclos redox, así como su comportamiento fluidodinámico en lecho fluidizado. No se encontraron problemas de aglomeración y presentaba velocidades de atrición adecuadas. Se estudió el proceso de gasificación en presencia de las partículas de ilmenita en reactor fluidizado discontinuo a varias temperaturas y mezclas H2O-CO2 como agentes gasificantes. Además se encontró que la velocidad de gasificación aumenta en presencia del transportador de oxígeno. Se estudió la eficacia del proceso iG-CLC con diferentes carbones desde lignito hasta antracita en sendas plantas de 500 Wt y 10 kWt, en los que se variaron diferentes parámetros de operación. Se hicieron experimentos variando la temperatura del reactor de reducción, el tamaño de partícula de carbón, la velocidad de recirculación de sólidos, la alimentación de carbón y el flujo y tipo de agente gasificante. Se encontraron gases sin convertir (H2 y CO) a la salida del reactor de reducción. Se determinó que dichos gases proceden de la materia volátil, porque tienen mal contacto con las partículas de transportador de oxígeno en el lecho fluidizado. Para conseguir capturas de CO2 elevadas es necesario trabajar a temperaturas altas, preferiblemente por encima de 950ºC, y tener suficiente tiempo de residencia en el reactor de reducción para aumentar la conversión de char en la gasificación. Es preferible usar H2O como agente gasificante para aumentar la conversión de char con la mayor parte de los carbones, pero es admisible utilizar algo de CO2, dependiendo de la velocidad de gasificación con CO2 del combustible empleado. Se comprobó la viabilidad de la aplicación de la tecnología iG-CLC con carbones de diferentes rangos. Se estudió el efecto del tipo y las características del combustible sólido. Se vieron grandes diferencias en la captura de CO2 en función del tipo de carbón. Se encontró que se obtienen mayores capturas de CO2 para carbones de menor rango, porque son más reactivos y se gasifican más rápido. A 900ºC y con un tiempo medio de residencia de sólidos de 14.4 minutos y usando vapor como agente gasificante, las capturas de CO2 fueron de 90% para lignito, 48% para carbón bituminoso colombiano, 54% para carbón bituminoso sudafricano y 29% para antracita. Las eficacias de combustión correspondientes en el reactor de reducción estaban en todos los casos por encima del 70%; y a 950ºC con carbón bituminoso colombiano se alcanzó una eficacia de combustión del 95% con un inventario de ilmenita de 3100 kg/MWt. Para todos los tipos de combustibles sólidos la eficacia de combustión aumenta cuando se trabaja a temperaturas e inventarios altos. Además se observó una ligera mejora en la conversión de gas tras la adición de caliza en el lecho, que puede explicarse por un efecto catalizador del equilibrio Water-Gas Shift por parte de la caliza. Para optimizar el proceso iG-CLC, se desarrolló un modelo simplificado basado en balances de masa y las cinéticas de reacción implicadas. Para ello, se determinó la cinética de reacción para las principales reacciones de reducción y oxidación. Además, se determinó la cinética de gasificación del char del carbón bituminoso ¿El Cerrejón¿. Se analizó la eficacia del proceso iG-CLC considerando el carbón bituminoso ¿El Cerrejón¿ en función de los principales parámetros de operación. Se encontró que es muy beneficioso aumentar el inventario de sólidos hasta 1000-2000 kg/MWt, pero que un mayor incremento no da una mejora relevante. Debido a la baja velocidad de gasificación, para conseguir altas capturas de CO2; se debería añadir un sistema de separación de carbono que separase char sin convertir y lo retornase al reactor de reducción. Se encontró que tener un sistema de separación de carbono eficiente es determinante para el proceso y puede llevar a valores de captura de CO2 por encima de 90%. También se encontró que el contacto de la material volátil con el transportador de oxígeno debería mejorarse con soluciones de diseño. Asimismo se propone la instalación de un segundo reactor de reducción como una opción muy prometedora para quemar completamente la materia volátil y además evitar una etapa extra de oxidación posterior. En conjunto, los buenos resultados confirman la viabilidad de la tecnología iG-CLC con combustibles sólidos y la ilmenita muestra ser un material adecuado para usarlo en la combustión de combustibles sólidos, teniendo en cuenta sus propiedades químicas y físicas, así como su falta de toxicidad y bajo precio.

Pal. clave: co2 capture ; chemical-looping combustion ; ilmenite ; coal ; oxygen-carrier ; captura de co2 ; combustión con transportadores sólidos de oxígeno ; ilmenita ; carbón ; transportadores de oxígeno

Knowledge area: Química inorgánica

Department:

Nota: Presentado: 27 03 2012
Nota: Tesis-Univ. Zaragoza

Creative Commons License



 Record created 2014-11-20, last modified 2019-02-19


Fulltext:
Download fulltext
PDF

Rate this document:

Rate this document:
1
2
3
 
(Not yet reviewed)