Serrano Oliván , Ana Isabel
DIEGO POZA, LUIS FRANCISCO DE (dir.) ; García Labiano, Francisco (dir.)
Universidad de Zaragoza,
2018
Abstract: La combustión indirecta con transportadores sólidos de oxígeno, también conocida como Chemical Looping Combustion, CLC, representa una de las opciones tecnológicas más prometedoras para la captura del CO2 generado en un proceso de producción de energía ya que la separación del CO2 es inherente al proprio proceso lo que permite reducir de forma considerable los costes asociados a la captura del CO2.
El objetivo principal de esta tesis doctoral es el estudio del aprovechamiento energético sin emisiones de CO2 de combustibles líquidos como aceites usados y residuos procedentes del refino del petróleo, los cuales representan actualmente una fuente importante de emisiones de CO2, mediante la tecnología CLC con distintos transportadores sólidos de oxígeno basados en Ni, Cu y Fe (Ni21-γAl, Ni18-αAl, Cu14-γAl y Fe20-γAl).
Como combustibles líquidos se seleccionaron: etanol (como compuesto modelo), diésel, aceites lubricantes y residuo pesado de petróleo. Además, durante una estancia realizada en la Universidad Tecnológica de Chalmers, Suecia, se analizó el comportamiento del queroseno como combustible líquido utilizando dos transportadores basados en Mn-Fe, uno sintético y otro natural.
En el momento en que se planteó la realización de esta tesis doctoral nuestro grupo de investigación no poseía experiencia en el manejo de este tipo de combustibles bajo condiciones CLC. Además, en la literatura científica tampoco existían publicaciones relevantes que hubieran trabajado con combustibles líquidos mediante la tecnología CLC.
Por esta razón, en primer lugar se seleccionó el etanol como compuesto modelo, por ser un combustible de fácil manejo para la experimentación, por su bajo contenido en carbono, su baja viscosidad y bajo punto de ebullición. Con este combustible se llevaron a cabo pruebas de reactividad en termobalanza con los cuatro transportadores de oxígeno seleccionados, Ni21-γAl, Ni18-αAl, Cu14-γAl y Fe20-γAl, y se estudió su comportamiento en un reactor de lecho fluidizado discontinuo. A partir de los resultados obtenidos y la experiencia adquirida, se diseñó y construyó una planta piloto en continuo de 1 kWt de potencia nominal con dos lechos fluidizados interconectados, denominados reactor de reducción y reactor de oxidación.
En dicha instalación se usó inicialmente etanol como combustible bajo condiciones CLC utilizando distintos transportadores sólidos de oxígeno basados en Cu, Ni y Fe. Esta etapa experimental sirvió para seleccionar los transportadores de oxígeno más prometedores para el proceso CLC con combustibles líquidos y para adquirir experiencia en la operación de la planta con dichos combustibles. Tras analizar los resultados obtenidos, los transportadores de oxígeno Ni18-αAl, Cu14-γAl y Fe20-γAl fueron suficientemente reactivos para el proceso de combustión. Por el contrario, el transportador de oxígeno Ni21-γAl fue descartado para su uso en aplicaciones CLC con combustibles líquidos
A continuación, para avanzar en el conocimiento del comportamiento en CLC con combustibles líquidos, se seleccionaron combustibles más complejos, con mayor contenido en carbono y mayor viscosidad, como el diésel y los aceites lubricantes, para analizar su comportamiento en la planta piloto CLC en continuo. Tras un periodo de operación de 118 horas con diésel y 125 horas con los aceites mineral y sintético se encontró que, el transportador de oxígeno Ni18-αAl permite obtener conversión completa de los combustibles líquidos, con eficacias de combustión superiores al 95-97% utilizando relaciones transportador de oxígeno/ combustible (fi) mayores de 2.5. El transportador de oxígeno Cu14-γAl permite obtener conversión completa de los combustibles líquidos, con eficacias de combustión superiores al 95% utilizando valores de fi mayores de 1.1 y prácticamente del 100% utilizando valores de fi mayores de 1.5. El transportador de oxígeno Fe20-γAl permite obtener, con estos combustibles líquidos, eficacias de combustión superiores al 95% utilizando valores de fi mayores de 3.5, es decir, necesita valores de mayores que los transportadores de oxígeno basados en Ni y Cu.
Gracias a la estancia realizada en la Universidad Tecnológica de Chalmers (Suecia), se analizó el comportamiento del queroseno como combustible en una instalación de dos lechos fluidizados interconectados de 300 Wt de potencia con circulación continua de partículas entre los lechos. Como transportadores de oxígeno se utilizaron dos transportadores de oxígeno basados en hierro-manganeso, Mn28Fe58-Al de origen sintético y Metmin de origen mineral. Gracias a la experimentación llevada a cabo se concluyó que el transportador de oxígeno Mn28Fe58-Al puede utilizarse para la combustión de combustibles líquidos mientras que el mineral Metmin tiene una velocidad de atrición elevada por lo que su uso no es adecuado para sistemas CLC con combustibles líquidos
Sin embargo, uno de los mayores retos a afrontar a la hora de trabajar con combustibles líquidos es el operar con combustibles líquidos pesados, ya que estos tienen elevada viscosidad, lo que dificulta su alimentación en continuo de manera estable a las instalaciones. Por ello, una vez que se adquirió el conocimiento necesario sobre cómo operar la planta en continuo con combustibles líquidos, como el diésel o los aceites lubricantes, se diseñó y construyó un lecho fluidizado discontinuo para su uso específico con combustibles líquidos más pesados como el fuel oil, para probar distintos sistemas de alimentación de líquidos viscosos y asegurar una alimentación de combustible estable y continua. A partir de este estudio se logró alcanzar el conocimiento necesario para diseñar y operar el sistema de alimentación de la planta piloto en continuo de 1 kWt con combustibles más viscosos, hasta poder alimentar una mezcla de 65% de residuo pesado de petróleo y 35% de diésel.
Finalmente, con el objetivo de determinar un marco general de las condiciones de operación para el proceso CLC con combustibles líquidos se llevó a cabo un estudio teórico sobre este proceso. Gracias a este estudio, se determinó el intervalo y los parámetros de diseño y operación, válidos para la utilización de diferentes combustibles líquidos y transportadores de oxígeno. Los balances de materia y calor realizados para diferentes transportadores de oxígeno confirmaron que la operación con combustibles líquidos es factible y similar a la operación con combustibles gaseosos. Además se estableció que debido a la gran expansión que experimentan los combustibles líquidos durante su combustión, la operación en sistemas que utilizan recirculación de CO2 como agente fluidizante en el reactor de reducción es la más idónea para plantas piloto a gran escala.
Gracias al trabajo llevado a cabo durante el desarrollo de la presente tesis, se ha demostrado la viabilidad técnica de la tecnología CLC con distintos transportadores sólidos de oxígeno basados en Ni, Cu y Fe para el aprovechamiento energético sin emisiones de CO2 de diferentes combustibles líquidos, como aceites usados y residuos procedentes del refino del petróleo. También se ha determinado que combustibles líquidos con un contenido relativamente alto en carbono y mayor contenido en impurezas muestran eficacias de combustión y de captura de CO2 similares a otros combustibles más ligeros como el etanol.
Asimismo se ha demostrado que es posible alcanzar eficacias de combustión superiores al 95-97%, con eficacias de captura de CO2 próximas al 100%, con condiciones adecuadas de operación.
Abstract (other lang.):
El objetivo principal de esta tesis doctoral es el estudio del aprovechamiento energético sin emisiones de CO2 de combustibles líquidos como aceites usados y residuos procedentes del refino del petróleo, los cuales representan actualmente una fuente importante de emisiones de CO2, mediante la tecnología CLC con distintos transportadores sólidos de oxígeno basados en Ni, Cu y Fe (Ni21-γAl, Ni18-αAl, Cu14-γAl y Fe20-γAl).
Como combustibles líquidos se seleccionaron: etanol (como compuesto modelo), diésel, aceites lubricantes y residuo pesado de petróleo. Además, durante una estancia realizada en la Universidad Tecnológica de Chalmers, Suecia, se analizó el comportamiento del queroseno como combustible líquido utilizando dos transportadores basados en Mn-Fe, uno sintético y otro natural.
En el momento en que se planteó la realización de esta tesis doctoral nuestro grupo de investigación no poseía experiencia en el manejo de este tipo de combustibles bajo condiciones CLC. Además, en la literatura científica tampoco existían publicaciones relevantes que hubieran trabajado con combustibles líquidos mediante la tecnología CLC.
Por esta razón, en primer lugar se seleccionó el etanol como compuesto modelo, por ser un combustible de fácil manejo para la experimentación, por su bajo contenido en carbono, su baja viscosidad y bajo punto de ebullición. Con este combustible se llevaron a cabo pruebas de reactividad en termobalanza con los cuatro transportadores de oxígeno seleccionados, Ni21-γAl, Ni18-αAl, Cu14-γAl y Fe20-γAl, y se estudió su comportamiento en un reactor de lecho fluidizado discontinuo. A partir de los resultados obtenidos y la experiencia adquirida, se diseñó y construyó una planta piloto en continuo de 1 kWt de potencia nominal con dos lechos fluidizados interconectados, denominados reactor de reducción y reactor de oxidación.
En dicha instalación se usó inicialmente etanol como combustible bajo condiciones CLC utilizando distintos transportadores sólidos de oxígeno basados en Cu, Ni y Fe. Esta etapa experimental sirvió para seleccionar los transportadores de oxígeno más prometedores para el proceso CLC con combustibles líquidos y para adquirir experiencia en la operación de la planta con dichos combustibles. Tras analizar los resultados obtenidos, los transportadores de oxígeno Ni18-αAl, Cu14-γAl y Fe20-γAl fueron suficientemente reactivos para el proceso de combustión. Por el contrario, el transportador de oxígeno Ni21-γAl fue descartado para su uso en aplicaciones CLC con combustibles líquidos
A continuación, para avanzar en el conocimiento del comportamiento en CLC con combustibles líquidos, se seleccionaron combustibles más complejos, con mayor contenido en carbono y mayor viscosidad, como el diésel y los aceites lubricantes, para analizar su comportamiento en la planta piloto CLC en continuo. Tras un periodo de operación de 118 horas con diésel y 125 horas con los aceites mineral y sintético se encontró que, el transportador de oxígeno Ni18-αAl permite obtener conversión completa de los combustibles líquidos, con eficacias de combustión superiores al 95-97% utilizando relaciones transportador de oxígeno/ combustible (fi) mayores de 2.5. El transportador de oxígeno Cu14-γAl permite obtener conversión completa de los combustibles líquidos, con eficacias de combustión superiores al 95% utilizando valores de fi mayores de 1.1 y prácticamente del 100% utilizando valores de fi mayores de 1.5. El transportador de oxígeno Fe20-γAl permite obtener, con estos combustibles líquidos, eficacias de combustión superiores al 95% utilizando valores de fi mayores de 3.5, es decir, necesita valores de mayores que los transportadores de oxígeno basados en Ni y Cu.
Gracias a la estancia realizada en la Universidad Tecnológica de Chalmers (Suecia), se analizó el comportamiento del queroseno como combustible en una instalación de dos lechos fluidizados interconectados de 300 Wt de potencia con circulación continua de partículas entre los lechos. Como transportadores de oxígeno se utilizaron dos transportadores de oxígeno basados en hierro-manganeso, Mn28Fe58-Al de origen sintético y Metmin de origen mineral. Gracias a la experimentación llevada a cabo se concluyó que el transportador de oxígeno Mn28Fe58-Al puede utilizarse para la combustión de combustibles líquidos mientras que el mineral Metmin tiene una velocidad de atrición elevada por lo que su uso no es adecuado para sistemas CLC con combustibles líquidos
Sin embargo, uno de los mayores retos a afrontar a la hora de trabajar con combustibles líquidos es el operar con combustibles líquidos pesados, ya que estos tienen elevada viscosidad, lo que dificulta su alimentación en continuo de manera estable a las instalaciones. Por ello, una vez que se adquirió el conocimiento necesario sobre cómo operar la planta en continuo con combustibles líquidos, como el diésel o los aceites lubricantes, se diseñó y construyó un lecho fluidizado discontinuo para su uso específico con combustibles líquidos más pesados como el fuel oil, para probar distintos sistemas de alimentación de líquidos viscosos y asegurar una alimentación de combustible estable y continua. A partir de este estudio se logró alcanzar el conocimiento necesario para diseñar y operar el sistema de alimentación de la planta piloto en continuo de 1 kWt con combustibles más viscosos, hasta poder alimentar una mezcla de 65% de residuo pesado de petróleo y 35% de diésel.
Finalmente, con el objetivo de determinar un marco general de las condiciones de operación para el proceso CLC con combustibles líquidos se llevó a cabo un estudio teórico sobre este proceso. Gracias a este estudio, se determinó el intervalo y los parámetros de diseño y operación, válidos para la utilización de diferentes combustibles líquidos y transportadores de oxígeno. Los balances de materia y calor realizados para diferentes transportadores de oxígeno confirmaron que la operación con combustibles líquidos es factible y similar a la operación con combustibles gaseosos. Además se estableció que debido a la gran expansión que experimentan los combustibles líquidos durante su combustión, la operación en sistemas que utilizan recirculación de CO2 como agente fluidizante en el reactor de reducción es la más idónea para plantas piloto a gran escala.
Gracias al trabajo llevado a cabo durante el desarrollo de la presente tesis, se ha demostrado la viabilidad técnica de la tecnología CLC con distintos transportadores sólidos de oxígeno basados en Ni, Cu y Fe para el aprovechamiento energético sin emisiones de CO2 de diferentes combustibles líquidos, como aceites usados y residuos procedentes del refino del petróleo. También se ha determinado que combustibles líquidos con un contenido relativamente alto en carbono y mayor contenido en impurezas muestran eficacias de combustión y de captura de CO2 similares a otros combustibles más ligeros como el etanol.
Asimismo se ha demostrado que es posible alcanzar eficacias de combustión superiores al 95-97%, con eficacias de captura de CO2 próximas al 100%, con condiciones adecuadas de operación.
Abstract (other lang.):
Pal. clave: tecnologia de la combustion
Titulación: Programa de Doctorado en Ingeniería Química y del Medio ambiente
Plan(es): Plan 515
Department: Ingeniería Química y Tecnologías del Medio Ambiente
Nota: Presentado: 12 12 2018
Nota: Tesis-Univ. Zaragoza, Ingeniería Química y Tecnologías del Medio Ambiente, 2018
-
Permalink:
Visitas y descargas
Record created 2019-02-04, last modified 2021-05-20
